Die ersten Vorstellungen antiker Wissenschaftler darüber, was Licht ist, waren sehr naiv. Es gab mehrere Standpunkte. Einige glaubten, dass spezielle dünne Tentakel aus den Augen kommen und visuelle Eindrücke entstehen, wenn sie Gegenstände fühlen. Dieser Standpunkt hatte eine große Anzahl von Anhängern, darunter Euklid, Ptolemaios und viele andere Wissenschaftler und Philosophen. Andere hingegen glaubten, dass die Strahlen von einem leuchtenden Körper ausgehen und, wenn sie das menschliche Auge erreichen, den Abdruck eines leuchtenden Objekts tragen. Dieser Standpunkt wurde von Lucretius, Democritus vertreten.

Gleichzeitig formulierte Euklid das Gesetz der geradlinigen Ausbreitung des Lichts. Er schrieb: "Die von den Augen ausgesandten Strahlen breiten sich auf einem geraden Weg aus."

Später, bereits im Mittelalter, verliert eine solche Vorstellung von der Natur des Lichts jedoch ihre Bedeutung. Immer weniger Wissenschaftler folgen diesen Ansichten. Und zu Beginn des 17. Jahrhunderts. diese Gesichtspunkte können als bereits vergessen betrachtet werden.

Im 17. Jahrhundert begannen sich fast zeitgleich zwei völlig unterschiedliche Theorien darüber zu entwickeln, was Licht ist und was seine Natur ist.

Eine dieser Theorien ist mit dem Namen Newton verbunden, die andere mit dem Namen Huygens.

Newton hielt an der sogenannten Korpuskulartheorie des Lichts fest, wonach Licht ein Strom von Teilchen ist, der von einer Quelle in alle Richtungen kommt (Materietransfer).

Laut Huygens ist Licht ein Wellenstrom, der sich in einem speziellen, hypothetischen Medium ausbreitet - dem Äther, der den gesamten Raum erfüllt und in alle Körper eindringt.

Beide Theorien existieren seit langem parallel. Keiner von ihnen konnte einen entscheidenden Sieg erringen. Nur die Autorität von Newton zwang die Mehrheit der Wissenschaftler, der Korpuskulartheorie den Vorzug zu geben. Die damals aus Erfahrung bekannten Gesetzmäßigkeiten der Lichtausbreitung wurden durch beide Theorien mehr oder weniger erfolgreich erklärt.

Auf der Grundlage der Korpuskulartheorie war es schwierig zu erklären, warum Lichtstrahlen, die sich im Raum kreuzen, in keiner Weise aufeinander einwirken. Schließlich müssen Lichtteilchen kollidieren und sich streuen.

Die Wellentheorie erklärte dies leicht. Wellen beispielsweise auf der Wasseroberfläche passieren einander frei ohne gegenseitige Beeinflussung.

Die geradlinige Lichtausbreitung, die zur Bildung von scharfen Schatten hinter Objekten führt, ist jedoch anhand der Wellentheorie schwer zu erklären. Nach der Korpuskulartheorie ist die geradlinige Lichtausbreitung einfach eine Folge des Trägheitsgesetzes.

Eine solche unbestimmte Position in Bezug auf die Natur des Lichts hielt bis Anfang des 19. Jahrhunderts an, als die Phänomene der Lichtbeugung (Umhüllen von Licht um Hindernisse) und der Lichtinterferenz (Verstärkung oder Abschwächung der Beleuchtung durch Überlagerung von Lichtstrahlen) entdeckt wurden . Diese Phänomene sind ausschließlich der Wellenbewegung inhärent. Es ist unmöglich, sie mit Hilfe der Korpuskulartheorie zu erklären. Daher schien die Wellentheorie einen endgültigen und vollständigen Sieg errungen zu haben.

Dieses Vertrauen wurde besonders gestärkt, als Maxwell in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts zeigte, dass Licht ein Sonderfall elektromagnetischer Wellen ist. Maxwells Arbeit legte den Grundstein für die elektromagnetische Theorie des Lichts.

Nach der experimentellen Entdeckung elektromagnetischer Wellen durch Hertz stand außer Frage, dass sich Licht bei der Ausbreitung wie eine Welle verhält.

Im späten 19. Jahrhundert begannen sich die Vorstellungen über die Natur des Lichts jedoch radikal zu ändern. Plötzlich stellte sich heraus, dass die verworfene Korpuskulartheorie immer noch realitätsrelevant ist.

Bei Emission und Absorption verhält sich Licht wie ein Teilchenstrom.

Diskontinuierliche oder, wie sie sagen, Quanteneigenschaften von Licht wurden entdeckt. Es ist eine ungewöhnliche Situation eingetreten: Die Phänomene der Interferenz und Beugung können immer noch erklärt werden, indem man Licht als Welle betrachtet, und die Phänomene der Strahlung und Absorption können erklärt werden, indem man Licht als Strom von Teilchen betrachtet. Diese beiden scheinbar unvereinbaren Vorstellungen über die Natur des Lichts in den 30er Jahren des 20. Jahrhunderts gelang es, konsequent in einer neuen herausragenden physikalischen Theorie - der Quantenelektrodynamik - kombiniert zu werden.

1. Welleneigenschaften des Lichts

Newton beschäftigte sich mit der Verbesserung von Teleskopen und machte darauf aufmerksam, dass das von der Linse gelieferte Bild an den Rändern gefärbt ist. Er interessierte sich dafür und war der erste, der „die Vielfalt der Lichtstrahlen und die daraus resultierenden Besonderheiten der Farben untersuchte, die vorher noch niemand kannte“ (Worte aus der Inschrift auf Newtons Grab). Newtons grundlegendes Experiment war genial einfach . Newton vermutete, einen Lichtstrahl mit kleinem Querschnitt zu einem Prisma zu senden. Durch ein kleines Loch in der Jalousie fiel ein Sonnenstrahl in den abgedunkelten Raum. Auf ein Glasprisma fallend, wurde es gebrochen und ergab auf der gegenüberliegenden Wand ein längliches Bild mit schillernden Farbwechseln. Der jahrhundertealten Tradition folgend, dass der Regenbogen aus sieben Primärfarben besteht, identifizierte Newton auch sieben Farben: Lila, Blau, Cyan, Grün, Gelb, Orange und Rot. Newton nannte den Regenbogenstreifen selbst ein Spektrum.

Newton verschloss das Loch mit rotem Glas und beobachtete nur einen roten Fleck an der Wand, verschloss es mit Blau-Blau usw. Daraus folgte, dass es nicht, wie bisher angenommen, das Prisma war, das das weiße Licht färbte. Das Prisma verändert die Farbe nicht, sondern zerlegt sie nur in ihre Bestandteile. Weißes Licht hat eine komplexe Struktur. Es ist möglich, verschiedenfarbige Strahlen davon zu unterscheiden, und nur ihre gemeinsame Wirkung gibt uns den Eindruck einer weißen Farbe. In der Tat, wenn ein zweites Prisma verwendet wird, das um 180 Grad relativ zum ersten gedreht ist. Sammeln Sie alle Strahlen des Spektrums, dann erhalten Sie wieder weißes Licht. Wenn wir einen Teil des Spektrums herausgreifen, zum Beispiel Grün, und das Licht zwingen, durch ein anderes Prisma zu gehen, erhalten wir keine weitere Farbänderung mehr.

Eine weitere wichtige Schlussfolgerung, zu der Newton kam, formulierte er in seiner Abhandlung über „Optik“ wie folgt: „Farblich unterschiedliche Lichtstrahlen unterscheiden sich im Brechungsgrad.“ Violette Strahlen werden am stärksten gebrochen, rote weniger als andere. Die Abhängigkeit des Brechungsindex von Licht von seiner Farbe wird Dispersion genannt (vom lateinischen Wort Dispergo, ich streue).

Newton verbesserte seine Beobachtungen des Spektrums weiter, um reinere Farben zu erhalten. Immerhin überlappten sich die runden Farbflecken des Lichtstrahls, der das Prisma passierte, teilweise. Anstelle eines runden Lochs wurde ein schmaler Schlitz (A) verwendet, der von einer hellen Quelle beleuchtet wurde. Hinter dem Schlitz befand sich eine Linse (B), die auf dem Bildschirm (D) ein Bild in Form eines schmalen weißen Streifens erzeugte. Bringt man ein Prisma (C) in den Strahlengang, so wird das Bild des Spalts zu einem Spektrum, einem farbigen Streifen, gestreckt, dessen Farbübergänge von Rot nach Violett denen eines Regenbogens ähneln. Newtons Erfahrung ist in Abb. 1 dargestellt

Wenn Sie den Spalt mit farbigem Glas abdecken, d.h. richtet man anstelle von weißem Licht farbiges Licht auf ein Prisma, so wird das Bild des Spaltes auf ein farbiges Rechteck reduziert, das sich an der entsprechenden Stelle im Spektrum befindet, d.h. Je nach Farbe weicht das Licht in unterschiedlichen Winkeln vom Originalbild ab. Die beschriebene Beobachtung zeigt, dass verschiedenfarbige Strahlen von einem Prisma unterschiedlich gebrochen werden.

Newton bestätigte diese wichtige Schlussfolgerung durch viele Experimente. Die wichtigste von ihnen bestand darin, den Brechungsindex von Strahlen verschiedener Farben zu bestimmen, die aus dem Spektrum extrahiert wurden. Zu diesem Zweck wurde ein Loch in den Bildschirm geschnitten, auf dem das Spektrum erhalten wird; Durch Bewegen des Bildschirms war es möglich, einen schmalen Strahl von Strahlen der einen oder anderen Farbe durch das Loch freizusetzen. Diese Methode zur Hervorhebung homogener Strahlen ist perfekter als die Hervorhebung mit farbigem Glas. Versuche haben gezeigt, dass ein derart ausgewählter Strahl, der im zweiten Prisma gebrochen wird, den Streifen nicht mehr dehnt. Ein solcher Strahl entspricht einem bestimmten Brechungsindex, dessen Wert von der Farbe des ausgewählten Strahls abhängt.

Somit enthielten Newtons Hauptexperimente zwei wichtige Entdeckungen:

1. Licht verschiedener Farben zeichnet sich durch unterschiedliche Brechungsindizes in einem bestimmten Stoff aus (Streuung).

2. Weiß ist eine Sammlung einfacher Farben.

Mit dem Wissen, dass weißes Licht eine komplexe Struktur hat, lässt sich die erstaunliche Farbvielfalt der Natur erklären. Wenn ein Objekt, zum Beispiel ein Blatt Papier, alle darauf fallenden Strahlen verschiedener Farben reflektiert, erscheint es weiß. Indem wir das Papier mit einer Farbschicht bedecken, erzeugen wir kein Licht einer neuen Farbe, sondern behalten einen Teil des vorhandenen Lichts auf dem Blatt. Nur rote Strahlen werden nun reflektiert, der Rest wird von einer Farbschicht absorbiert. Gras und Baumblätter erscheinen uns grün, weil alle Sonnenstrahlen auf sie fallen, sie reflektieren nur grüne und absorbieren den Rest. Wenn Sie das Gras durch rotes Glas betrachten, das nur rote Strahlen durchlässt, erscheint es fast schwarz.

Wir wissen jetzt, dass verschiedene Farben verschiedenen Wellenlängen des Lichts entsprechen. Daher lässt sich Newtons erste Entdeckung wie folgt formulieren: Der Brechungsindex von Materie hängt von der Wellenlänge des Lichts ab. Sie nimmt normalerweise mit abnehmender Wellenlänge zu.

Die Interferenz von Licht wurde sehr lange beobachtet, aber sie haben es einfach nicht bemerkt. Viele haben das Interferenzmuster gesehen, als sie in ihrer Kindheit Spaß beim Blasen von Seifenblasen hatten oder das schillernde Überlaufen von Farben eines dünnen Petroleumfilms auf der Wasseroberfläche beobachteten. Es ist die Interferenz des Lichts, die die Seifenblase so bewundernswert macht.

Die Charakteristik des Elektronenzustands in einem Atom basiert auf der Position der Quantenmechanik über die duale Natur eines Elektrons, das gleichzeitig die Eigenschaften eines Teilchens und einer Welle hat.

Zum ersten Mal wurde die duale Korpuskularwellennatur für Licht festgestellt. Untersuchungen einer Reihe von Phänomenen (Strahlung von glühenden Körpern, photoelektrischer Effekt, Atomspektren) führten zu dem Schluss, dass Energie nicht kontinuierlich, sondern diskret in getrennten Portionen (Quanten) emittiert und absorbiert wird. Die Annahme der Energiequantisierung wurde erstmals von Max Planck (1900) aufgestellt und von Albert Einstein (1905) untermauert: Die Quantenenergie (∆E) hängt von der Strahlungsfrequenz (ν) ab:

∆µ = hν, wobei h = 6,63 10 -34 J s die Plancksche Konstante ist.

Setzt man die Energie eines Photons hν mit der Gesamtreserve seiner Energie mс 2 gleich und berücksichtigt man ν=с/λ, so erhält man eine Beziehung, die den Zusammenhang zwischen den Wellen- und Korpuskulareigenschaften eines Photons ausdrückt:

1924 Louis de Broglie schlug vor, dass die duale Korpuskularwellennatur nicht nur der Strahlung, sondern jedem materiellen Teilchen innewohnt: Jedes Teilchen mit einer Masse (m) und einer Geschwindigkeit (υ) entspricht einem Wellenprozess mit einer Wellenlänge λ:

λ = h / mυ(55)

Je kleiner die Teilchenmasse, desto länger die Wellenlänge. Daher ist es schwierig, die Welleneigenschaften von Makropartikeln zu erfassen.

1927 entdeckten die amerikanischen Wissenschaftler Davisson und Germer, der Engländer Thomson und der sowjetische Wissenschaftler Tartakovskii unabhängig voneinander die Elektronenbeugung, die eine experimentelle Bestätigung der Welleneigenschaften von Elektronen war. Später wurde die Beugung (Interferenz) von α-Teilchen, Neutronen, Protonen, Atomen und sogar Molekülen entdeckt. Derzeit wird die Elektronenbeugung verwendet, um die Struktur der Materie zu untersuchen.

Die Welleneigenschaften von Elementarteilchen enthalten eines der Prinzipien der Wellenmechanik: Unschärferelation (W. Heisenberg 1925): Für kleine Körper im atomaren Maßstab ist es unmöglich, die Position eines Teilchens im Raum und seine Geschwindigkeit (Impuls) gleichzeitig genau zu bestimmen. Je genauer die Koordinaten eines Teilchens bestimmt werden, desto unsicherer wird seine Geschwindigkeit und umgekehrt. Die Unschärferelation hat die Form:

wobei ∆x die Unsicherheit der Teilchenposition ist, ∆Р x die Unsicherheit der Größe des Impulses oder der Geschwindigkeit in x-Richtung ist. Ähnliche Beziehungen werden auch für die y- und z-Koordinaten geschrieben. Der in der Unsicherheitsrelation enthaltene Wert ℏ ist sehr klein, daher sind die Unsicherheiten in den Werten von Koordinaten und Impulsen für Makropartikel vernachlässigbar.

Daher ist es unmöglich, die Flugbahn des Elektrons im Feld des Kerns zu berechnen, man kann nur die Wahrscheinlichkeit abschätzen, mit der es sich im Atom befindet Wellenfunktion ψ, das den klassischen Begriff einer Trajektorie ersetzt. Die Wellenfunktion ψ charakterisiert die Wellenamplitude in Abhängigkeit von den Elektronenkoordinaten und ihr Quadrat ψ 2 bestimmt die räumliche Verteilung des Elektrons im Atom. Die Wellenfunktion hängt in der einfachsten Version von drei Ortskoordinaten ab und ermöglicht die Bestimmung der Aufenthaltswahrscheinlichkeit eines Elektrons im Atomraum bzw orbital . Auf diese Weise, Atomorbital (AO) ist ein Bereich des Atomraums, in dem die Wahrscheinlichkeit, ein Elektron zu finden, am größten ist.

Wellenfunktionen erhält man durch Lösen der fundamentalen Beziehung der Wellenmechanik - GleichungenSchrödinger (1926) :

(57)

wobei h die Plancksche Konstante ist, eine Variable ist, U die potentielle Energie des Teilchens ist, E die Gesamtenergie des Teilchens ist, x, y, z die Koordinaten sind.

Somit folgt die Quantisierung der Energie eines Mikrosystems direkt aus der Lösung der Wellengleichung. Die Wellenfunktion charakterisiert den Zustand des Elektrons vollständig.

Die Wellenfunktion eines Systems ist eine Funktion des Zustands des Systems, dessen Quadrat gleich der Wahrscheinlichkeitsdichte ist, an jedem Punkt im Raum Elektronen zu finden. Es muss Standardbedingungen genügen: stetig, endlich, einwertig sein, verschwinden, wo kein Elektron ist.

Für ein Wasserstoffatom oder wasserstoffähnliche Ionen erhält man eine exakte Lösung, für Vielelektronensysteme werden verschiedene Näherungen verwendet. Die Fläche, die 90-95 % der Wahrscheinlichkeit begrenzt, ein Elektron oder die Elektronendichte zu finden, wird als Grenze bezeichnet. Das Atomorbital und die Elektronenwolkendichte haben die gleiche Grenzfläche (Form) und die gleiche räumliche Orientierung. Die Atomorbitale eines Elektrons, ihre Energie und Richtung im Raum hängen von vier Parametern ab - Quantenzahlen : Haupt-, Orbital-, Magnet- und Spin. Die ersten drei charakterisieren die Bewegung eines Elektrons im Raum und die vierte - um seine eigene Achse.

Quantenzahln – hauptsächlich . Sie bestimmt das Energieniveau eines Elektrons in einem Atom, den Abstand des Niveaus vom Kern und die Größe der Elektronenwolke. Sie nimmt ganzzahlige Werte von 1 bis ∞ an und entspricht der Periodennummer. Aus dem Periodensystem für jedes Element können Sie anhand der Nummer der Periode die Anzahl der Energieniveaus des Atoms bestimmen und welches Energieniveau extern ist. Je mehr n, desto größer ist die Wechselwirkungsenergie des Elektrons mit dem Kern. Bei n= 1 Wasserstoffatom befindet sich im Grundzustand, at n> 1 - aufgeregt. Wenn ein n∞, dann hat das Elektron das Atomvolumen verlassen. Das Atom ist ionisiert.

Zum Beispiel, das Element Cadmium Cd befindet sich in der fünften Periode, also n=5. In seinem Atom sind Elektronen auf fünf Energieniveaus verteilt (n = 1, n = 2, n = 3, n = 4, n = 5); die fünfte Ebene wird extern sein (n = 5).

Da das Elektron neben den Eigenschaften einer Welle auch die Eigenschaften eines materiellen Teilchens hat, hat es mit einer Masse m, einer Bewegungsgeschwindigkeit V und einem Abstand vom Kern r ein Impulsmoment: μ =mVr.

Der Drehimpuls ist die zweite (nach der Energie) Eigenschaft eines Elektrons und wird in Form einer seitlichen (azimutalen, orbitalen) Quantenzahl ausgedrückt.

Orbitale Quantenzahll- bestimmt die Form der Elektronenwolke (Abb. 7), die Energie des Elektrons auf der Unterebene, die Anzahl der Energieunterebenen. Nimmt Werte von 0 bis an n– 1. Andere als Zahlenwerte l hat Buchstaben. Elektronen mit gleichem Wert l eine Unterebene bilden.

In jeder Quantenebene ist die Anzahl der Unterebenen streng begrenzt und gleich der Anzahl der Schichten. Unterniveaus sind wie Energieniveaus in der Reihenfolge ihrer Entfernung vom Kern nummeriert (Tabelle 26).

Nach den Vorstellungen der klassischen Physik sind Licht elektromagnetische Wellen in einem bestimmten Frequenzbereich. Die Wechselwirkung von Licht mit Materie erfolgt jedoch so, als ob Licht ein Strom von Teilchen wäre.

Zu Newtons Zeit gab es zwei Hypothesen über die Natur des Lichts - korpuskular, an der Newton festhielt, und Welle. Die Weiterentwicklung der experimentellen Technik und Theorie traf eine Wahl zugunsten von Wellentheorie .

Aber zu Beginn des 20. Jahrhunderts. Neue Probleme traten auf: Die Wechselwirkung von Licht mit Materie ließ sich im Rahmen von nicht erklären Wellentheorie.

Wenn ein Metallstück mit Licht beleuchtet wird, fliegen Elektronen heraus ( photoelektrischer Effekt). Es war zu erwarten, dass die Geschwindigkeit der emittierten Elektronen (ihre kinetische Energie) umso größer sein würde, je größer die Energie der einfallenden Welle (die Intensität des Lichts) ist, aber es stellte sich heraus, dass die Geschwindigkeit der Elektronen im Allgemeinen nicht davon abhängt von der Intensität des Lichts, sondern wird durch seine Frequenz (Farbe) bestimmt .

Die Fotografie basiert auf der Tatsache, dass einige Materialien nach der Belichtung mit Licht und anschließender chemischer Behandlung dunkler werden und der Grad ihrer Schwärzung proportional zur Belichtung und Belichtungszeit ist. Wird eine Schicht eines solchen Materials (Fotoplatte) mit Licht einer bestimmten Frequenz bestrahlt, so verfärbt sich die homogene Oberfläche nach der Entwicklung schwarz. Mit abnehmender Lichtintensität erhalten wir gleichmäßige Oberflächen mit immer weniger Schwärzung (verschiedene Grauschattierungen). Und das alles endet damit, dass wir bei sehr geringer Beleuchtung keine sehr geringe Schwärzung der Oberfläche erhalten, sondern schwarze Punkte, die zufällig über die Oberfläche verstreut sind! Als würde das Licht nur diese Stellen treffen.

Merkmale der Wechselwirkung von Licht mit Materie zwangen die Physiker zu einer Rückkehr Korpuskulare Theorie.

Die Wechselwirkung von Licht mit Materie erfolgt so, als ob Licht ein Strom von Teilchen wäre, Energie und Impuls die durch die Beziehungen mit der Frequenz des Lichts in Beziehung stehen

E=hv;p=E /c=hv /c,

wo h ist die Plancksche Konstante. Diese Teilchen werden genannt Photonen.

photoelektrischer Effekt könnte man verstehen, wenn man den Standpunkt einnimmt Korpuskulare Theorie und betrachte Licht als einen Strom von Teilchen. Aber dann stellt sich das Problem, was mit anderen Eigenschaften des Lichts zu tun ist, die von einem weiten Zweig der Physik behandelt wurden - Optik basiert auf der Tatsache, dass Licht eine elektromagnetische Welle ist.

Die Situation, in der einzelne Phänomene mit speziellen Annahmen erklärt werden, die miteinander nicht übereinstimmen oder sich sogar widersprechen, wird als nicht akzeptabel angesehen, da die Physik den Anspruch erhebt, ein einheitliches Bild der Welt zu schaffen. Und die Bestätigung für die Gültigkeit dieser Behauptung war gerade die Tatsache, dass kurz vor den Schwierigkeiten, die im Zusammenhang mit dem photoelektrischen Effekt auftraten, die Optik auf die Elektrodynamik reduziert wurde. Phänomene Interferenz und Beugung stimmte definitiv nicht mit den Vorstellungen über Teilchen überein, aber einige Eigenschaften des Lichts lassen sich aus beiden Blickwinkeln gleichermaßen gut erklären. Eine elektromagnetische Welle hat Energie und Impuls, und der Impuls ist proportional zur Energie. Wenn Licht absorbiert wird, überträgt es seinen Impuls, d. h. es wirkt eine der Lichtintensität proportionale Druckkraft auf die Barriere. Der Teilchenstrom übt auch Druck auf die Barriere aus, und bei einem geeigneten Verhältnis zwischen der Energie und dem Impuls des Teilchens ist der Druck proportional zur Intensität des Stroms. Eine wichtige Errungenschaft der Theorie war die Erklärung der Lichtstreuung in der Luft, wodurch insbesondere klar wurde, warum der Himmel blau ist. Aus der Theorie folgte, dass sich die Frequenz des Lichts während der Streuung nicht ändert.

Allerdings, wenn Sie den Standpunkt einnehmen Korpuskulare Theorie und bedenken Sie, dass die Eigenschaft des Lichts, die in der Wellentheorie mit der Frequenz (Farbe) verbunden ist, in der Korpuskulartheorie mit der Energie des Teilchens verbunden ist, es stellt sich heraus, dass während der Streuung (Kollision eines Photons mit einem streuenden Teilchen) , sollte die Energie des gestreuten Photons abnehmen . Das zeigten eigens durchgeführte Experimente zur Streuung von Röntgenstrahlen, die Teilchen mit einer um drei Größenordnungen höheren Energie als sichtbarem Licht entsprechen Korpuskulare Theorie WAHR. Licht sollte als Teilchenstrom betrachtet werden, und die Phänomene der Interferenz und Beugung wurden im Rahmen der Quantentheorie erklärt. Aber gleichzeitig hat sich auch das eigentliche Konzept eines Teilchens als eines Objekts von verschwindend kleiner Größe, das sich auf einer bestimmten Flugbahn bewegt und an jedem Punkt eine bestimmte Geschwindigkeit hat, geändert.

Die neue Theorie hebt die korrekten Ergebnisse der alten nicht auf, aber sie kann ihre Interpretation ändern. Also, wenn drin Wellentheorie Farbe ist mit Wellenlänge verbunden korpuskular sie hängt mit der Energie des entsprechenden Teilchens zusammen: Die Photonen, die in unserem Auge die Wahrnehmung von Rot hervorrufen, haben weniger Energie als die von Blau. Material von der Website

Für Licht wurde ein Experiment mit Elektronen durchgeführt (Yung-has Erfahrung). Die Beleuchtung des Schirms hinter den Schlitzen hatte die gleiche Form wie bei Elektronen, und dieses Bild Lichtstörungen, aus zwei Schlitzen auf den Bildschirm fiel, diente als Beweis für die Wellennatur des Lichts.

Problem im Zusammenhang mit Wellen- und Korpuskulareigenschaften von Teilchen hat eine wirklich lange Geschichte. Newton glaubte, dass Licht ein Strom von Teilchen ist. Gleichzeitig kursierte aber auch die Hypothese über die Wellennatur des Lichts, insbesondere verbunden mit dem Namen Huygens. Die damals vorhandenen Daten zum Verhalten des Lichts (geradlinige Ausbreitung, Reflexion, Brechung und Streuung) wurden aus beiden Blickwinkeln gleichermaßen gut erklärt. In diesem Fall ließe sich natürlich nichts Bestimmtes über die Natur von Lichtwellen oder Teilchen sagen.

Später jedoch, nach der Entdeckung von Phänomenen Interferenz und Beugung Licht (Anfang des 19. Jahrhunderts) wurde die Newtonsche Hypothese aufgegeben. Das Dilemma "Welle oder Teilchen" für Licht wurde experimentell zugunsten einer Welle gelöst, obwohl die Natur von Lichtwellen unklar blieb. Ferner wurde ihre Natur klar. Es stellte sich heraus, dass Lichtwellen elektromagnetische Wellen bestimmter Frequenzen sind, also die Ausbreitung von Störungen im elektromagnetischen Feld. Die Wellentheorie schien endgültig gesiegt zu haben.

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Welleneigenschaften. Ein Zeitgenosse von Isaac Newton, der holländische Physiker Christian Huygens, verneinte die Existenz von Korpuskeln nicht, sondern glaubte, dass sie nicht von Leuchtkörpern ausgesandt werden, sondern den ganzen Raum ausfüllen. Huygens stellte den Prozess der Lichtausbreitung nicht als eine fortschreitende Bewegung dar, sondern als einen sukzessiven Prozess der Übertragung des Aufpralls eines Korpuskels auf einen anderen.

Anhänger von Huygens vertraten die Meinung, Licht sei eine sich ausbreitende Schwingung in einem speziellen Medium – „Äther“, das den gesamten Weltraum ausfüllt und ungehindert in alle Körper eindringt. Lichtanregung von einer Lichtquelle wird durch Äther in alle Richtungen übertragen.

So entstanden die Ideen der ersten Welle über die Natur des Lichts. Der Hauptwert der Anfangswellentheorie des Lichts ist das Prinzip, das ursprünglich von Huygens formuliert und dann von Fresnel entwickelt wurde. Das Huygens-Fresnel-Prinzip besagt, dass jede Niere, die von Lichtanregung erreicht wird, ihrerseits zum Zentrum von Sekundärwellen wird und diese in alle Richtungen an benachbarte Nieren weiterleitet.

Die Welleneigenschaften des Lichts manifestieren sich am deutlichsten in den Phänomenen der Interferenz und Beugung.

Die Interferenz des Lichts liegt darin, dass bei gegenseitiger Lage zweier Wellen die Schwingungen verstärkt oder abgeschwächt werden können. Das Prinzip der Interferenz wurde 1801 von dem Engländer Thomas Young (1773-1829), einem Arzt von Beruf, entdeckt. Jung führte das mittlerweile klassische Experiment mit zwei Löchern durch. Auf dem Bildschirm wurden zwei eng beieinander liegende Löcher mit der Spitze einer Stecknadel gestochen, die durch Sonnenlicht aus einem kleinen Loch im Vorhangfenster beleuchtet wurden. Hinter dem Bildschirm wurde anstelle von zwei hellen Flecken eine Reihe von abwechselnd dunklen und hellen Ringen beobachtet.

Eine notwendige Bedingung für die Beobachtung des Interferenzmusters ist die Kohärenz der Wellen (ein koordinierter Ablauf von Schwingungs- oder Wellenvorgängen).

Das Phänomen der Interferenz wird häufig in Geräten verwendet - Interferometern, mit deren Hilfe verschiedene genaue Messungen durchgeführt und die Oberflächenbeschaffenheit von Teilen sowie viele andere Kontrollvorgänge kontrolliert werden.

1818 reichte Fresnel beim Wettbewerb der Pariser Akademie der Wissenschaften einen ausführlichen Bericht über die Lichtbeugung ein. Unter Berücksichtigung dieses Berichtes kam A. Poisson (1781-1840) zu dem Schluss, dass nach der von Fresnel vorgeschlagenen Theorie unter bestimmten Bedingungen im Zentrum des Beugungsmusters eines undurchsichtigen runden Hindernisses im Lichtweg ein sein sollte heller Fleck, kein Schatten. Es war ein atemberaubender Abschluss. D.F.Arago (1786-1853) führte sofort ein Experiment durch, und Poissons Berechnungen wurden bestätigt. So wurde die Schlussfolgerung von Poisson, die Fresnels Theorie äußerlich widersprach, mit Hilfe von Aragos Experiment zu einem der Beweise ihrer Gültigkeit und markierte auch den Beginn der Erkenntnis der Wellennatur des Lichts.

Das Phänomen der Lichtablenkung aus der geradlinigen Ausbreitungsrichtung wird Beugung genannt.

Viele optische Geräte basieren auf dem Phänomen der Beugung. Insbesondere kristallographische Geräte verwenden Röntgenbeugung.

Auch die Wellennatur des Lichts und die Quernatur der Lichtwellen werden durch das Phänomen bewiesen Polarisation. Das Wesen der Polarisation wird durch ein einfaches Experiment deutlich: Wenn Licht zwei transparente Kristalle durchdringt, hängt seine Intensität von der gegenseitigen Ausrichtung der Kristalle ab. Bei gleicher Orientierung passiert Licht ungeschwächt. Wird einer der Kristalle um 90° gedreht, erlischt das Licht komplett, d.h. geht nicht durch Kristalle.

Die Wellennatur des Lichts wird auch durch das Phänomen der Lichtstreuung bestätigt. Ein schmaler paralleler weißer Lichtstrahl zerfällt beim Durchgang durch ein Glasprisma in Lichtstrahlen unterschiedlicher Farbe. Das Farbband wird als kontinuierliches Spektrum bezeichnet. Die Abhängigkeit der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Licht in einem Medium von der Wellenlänge wird als Lichtstreuung bezeichnet. Die Dispersion wurde von I. Newton entdeckt.

Die Zerlegung von weißem Licht erklärt sich dadurch, dass es aus elektromagnetischen Wellen mit unterschiedlichen Wellenlängen besteht und der Brechungsindex von der Wellenlänge abhängt. Der höchste Wert des Brechungsindex für Licht mit der kürzesten Wellenlänge ist violett, der niedrigste für das Licht mit der längsten Wellenlänge ist rot. Experimente haben gezeigt, dass im Vakuum die Lichtgeschwindigkeit für Licht jeder Wellenlänge gleich ist.

Die Untersuchung der Phänomene der Beugung, Interferenz, Polarisation und Streuung von Licht führte zur Aufstellung der Wellentheorie des Lichts.

Quanteneigenschaften des Lichts. 1887 entdeckte G. Hertz bei der Beleuchtung einer mit dem Stab eines Elektrometers verbundenen Zinkplatte das Phänomen des photoelektrischen Effekts. Wenn eine positive Ladung auf die Platte und den Stab übertragen wird, entlädt sich das Elektrometer nicht, wenn die Platte beleuchtet wird. Wenn der Platte eine negative elektrische Ladung verliehen wird, wird das Elektrometer entladen, sobald Strahlung auf die Platte trifft. Dieser Versuch beweist, dass unter Lichteinwirkung negative zentrische Ladungen aus der Oberfläche einer Metallplatte entweichen. Messungen der Ladung und Masse der vom Licht ausgestoßenen Teilchen zeigten, dass es sich bei diesen Teilchen um Elektronen handelt. Das Phänomen der Emission von Elektronen durch einen Stoff unter Einwirkung elektromagnetischer Strahlung wird als photoelektrischer Effekt bezeichnet.

Die quantitativen Gesetzmäßigkeiten des photoelektrischen Effekts wurden 1888-1889 festgestellt. Der russische Physiker A.G. Stoletow (1839-1896).

Die Grundgesetze des photoelektrischen Effekts konnten auf der Grundlage der elektromagnetischen Lichttheorie nicht erklärt werden. Die elektromagnetische Lichttheorie konnte die Unabhängigkeit der Energie von Photoelektronen von der Intensität der Lichtstrahlung, die Existenz der roten Grenze des photoelektrischen Effekts, die Proportionalität der kinetischen Energie von Photoelektronen zur Lichtfrequenz nicht erklären.

Die elektromagnetische Theorie von Maxwell und die elektronische Theorie von Lorentz waren trotz ihrer enormen Erfolge etwas widersprüchlich, und ihre Anwendung stieß auf eine Reihe von Schwierigkeiten. Beide Theorien basierten auf der Ätherhypothese, lediglich der „elastische Äther“ wurde durch „elektromagnetischen Äther“ (Maxwellsche Theorie) oder „fester Äther“ (Lorentzsche Theorie) ersetzt. Die Theorie von Maxwell konnte die Prozesse der Lichtemission und -absorption, den photoelektrischen Effekt, die Compton-Streuung usw. nicht erklären. Die Theorie von Lorentz wiederum konnte viele Phänomene bei der Wechselwirkung von Licht mit Materie nicht erklären, insbesondere die Frage der Verteilung von Energie über Wellenlängen während der thermischen Schwarzkörperstrahlung.

Diese Schwierigkeiten und Widersprüche wurden dank der kühnen Hypothese des deutschen Physikers M. Planck aus dem Jahr 1900 überwunden Lichtemission erfolgt nicht kontinuierlich, sondern diskret, d.h. in bestimmten Portionen (Quanten), deren Energie durch die Frequenz n bestimmt wird:

wo h ist die Plancksche Konstante.

Plancks Theorie braucht den Begriff des Äthers nicht. Sie erklärte die Wärmestrahlung eines komplett schwarzen Körpers.

A. Einstein im Jahr 1905 erstellt Quantentheorie des Lichts: nicht nur die Emission von Licht, sondern auch seine Ausbreitung erfolgt in der Form Fluss von Lichtquanten - Photonen, deren Energie durch die obige Planck-Formel bestimmt wird, und der Impuls

wobei l die Wellenlänge ist.

Die Quanteneigenschaften elektromagnetischer Wellen manifestieren sich am vollständigsten in Compton-Effekt: Wird monochromatische Röntgenstrahlung an einem Stoff mit leichten Atomen gestreut, so wird in der Zusammensetzung der gestreuten Strahlung neben Strahlung, die durch die Anfangswellenlänge gekennzeichnet ist, Strahlung mit längerer Wellenlänge beobachtet.

Quantenvorstellungen über Licht stimmen gut überein mit den Gesetzen der Strahlung und Absorption von Licht, den Gesetzen der Wechselwirkung, Strahlung mit Materie. So gut untersuchte Phänomene wie Interferenz, Beugung und Polarisation von Licht werden anhand von Wellenkonzepten gut erklärt. Das zeigt die ganze Vielfalt der untersuchten Eigenschaften und Gesetzmäßigkeiten der Lichtausbreitung, seiner Wechselwirkung mit der Materie licht hat eine komplexe natur: es ist eine einheit gegensätzlicher eigenschaften - korpuskular (quantum) und welle (elektromagnetisch). Der lange Weg der Entwicklung hat dazu geführt moderne Ideen über die duale Korpuskularwellennatur des Lichts. Die obigen Ausdrücke verbinden die korpuskulären Eigenschaften der Strahlung – die Masse und Energie eines Quants – mit den Welleneigenschaften – der Schwingungsfrequenz und der Wellenlänge. Auf diese Weise, Licht ist eine Einheit von Diskretion und Kontinuität.

Fragen zur Selbstprüfung

Frage 1. Was ist die wichtigste Aufgabe der Naturwissenschaft?

1. kognitiv

2. Weltanschauung

3. teleologisch

4. Erstellung eines naturwissenschaftlichen Weltbildes

Aufgabe 2. Nennen Sie die allgemeinsten, wichtigsten Grundbegriffe der physikalischen Beschreibung der Natur.

1. Angelegenheit

2. Bewegung

3. Raum

Frage 3. Was ist die philosophische Kategorie, um die objektive Realität zu bezeichnen, die durch unsere unabhängig von ihnen existierenden Empfindungen dargestellt wird?

1. Bewusstsein

2. anzeigen

3. egal

Wellen- und Korpuskulareigenschaften des Lichts - Seite №1/1

WELLEN- UND KÖRPERLICHE EIGENSCHAFTEN DES LICHTS

© Moiseev B. M., 2004

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Daraus ergibt sich logischerweise die Möglichkeit, Licht als periodische Folge von Anregungen des physikalischen Vakuums zu betrachten. Als Folge dieses Ansatzes wird die physikalische Natur der Wellen- und Korpuskulareigenschaften von Licht erklärt.

Eine logische Schlussfolgerung aus der Möglichkeit, Licht als zeitliche Abfolge physikalischer Vakuumerregungen aufzufassen, wird im Artikel gegeben. Als Folge eines solchen Ansatzes werden hier die physikalische Natur der Welle und die korpuskulären Eigenschaften des Lichts erklärt.

Einführung

Jahrhundertealte Versuche, die physikalische Natur von Lichtphänomenen zu verstehen, wurden zu Beginn des 20. Jahrhunderts durch die Einführung der dualen Eigenschaften der Materie in die Axiomatik der Theorie unterbrochen. Licht wurde gleichzeitig als Welle und Teilchen betrachtet. Das Strahlungsquantenmodell wurde jedoch formal aufgebaut, und es gibt immer noch kein eindeutiges Verständnis der physikalischen Natur des Strahlungsquants.

Diese Arbeit widmet sich der Bildung neuer theoretischer Vorstellungen über die physikalische Natur des Lichts, die die Wellen- und Korpuskulareigenschaften des Lichts qualitativ erklären sollen. Zuvor wurden die wichtigsten Bestimmungen des entwickelten Modells und die im Rahmen dieses Modells erzielten Ergebnisse veröffentlicht:

1. Ein Photon ist eine Menge elementarer Vakuumanregungen, die sich im Raum in Form einer Kette von Anregungen mit konstanter Geschwindigkeit relativ zum Vakuum ausbreiten, unabhängig von der Geschwindigkeit der Lichtquelle. Für einen Beobachter hängt die Geschwindigkeit des Photons von der Geschwindigkeit des Beobachters relativ zum Vakuum ab, das logischerweise als absoluter Raum modelliert wird.

2. Elementare Vakuumanregung ist ein Photonenpaar, ein Dipol, der aus zwei (+) und (-) geladenen Teilchen besteht. Die Dipole rotieren und haben einen Drehimpuls, der zusammen den Spin des Photons ausmacht. Der Rotationsradius von Photonen und die Winkelgeschwindigkeit hängen durch die Abhängigkeit Rω = const zusammen.

3. Photonen kann man sich als dünne lange zylindrische Nadeln vorstellen. Imaginäre Oberflächen von Zylindernadeln werden durch spiralförmige Flugbahnen von Photonen gebildet. Je höher die Rotationsfrequenz, desto dünner die Photonennadel. Eine vollständige Umdrehung eines Photonenpaares bestimmt die Wellenlänge im Raum entlang der Bewegungsrichtung.

4. Die Energie eines Photons wird durch die Anzahl der Photonenpaare n in einem Photon bestimmt: ε = nh E, wobei h E ein Wert ist, der gleich der Planckschen Konstante in Energieeinheiten ist.

5. Man erhält den quantitativen Wert des Photonenspins ћ. Es wurde eine Analyse der Beziehung zwischen der Energie und den kinematischen Parametern eines Photons durchgeführt. Als Beispiel werden die kinematischen Parameter eines Photons berechnet, das durch den 3d2p-Übergang in einem Wasserstoffatom erzeugt wird. Die Länge eines Photons im sichtbaren Teil des Spektrums beträgt Meter.

6. Die Masse eines Photonenpaares wurde zu m 0 = 1,474 10 -53 g berechnet, was größenordnungsmäßig mit der oberen Abschätzung der Photonenmasse m  übereinstimmt

7. Es wurde eine Schlussfolgerung über die Änderung der Konstanten C und h gezogen, wenn sich ein Photon in einem Gravitationsfeld bewegt.

Aus der periodischen Struktur eines Photons wird der Grund für die Welleneigenschaften von Licht intuitiv klar: Die Mathematik einer Welle als Prozess der mechanischen Schwingung eines physikalischen Mediums und die Mathematik eines periodischen Prozesses jeglicher qualitativer Natur fallen zusammen . Die Arbeiten geben eine qualitative Erklärung der Wellen- und Korpuskulareigenschaften des Lichts. Dieser Artikel setzt die Entwicklung von Ideen über die physikalische Natur des Lichts fort.

Welleneigenschaften des Lichts

Wie bereits erwähnt, verursachen die Elemente der Periodizität, die mit der physikalischen Natur des Lichts verbunden sind, die Manifestation von Welleneigenschaften. Die Manifestation der Welleneigenschaften des Lichts wurde durch zahlreiche Beobachtungen und Experimente festgestellt und kann daher nicht bezweifelt werden. Eine mathematische Wellentheorie des Doppler-Effekts, der Interferenz, Beugung, Polarisation, Dispersion, Absorption und Streuung von Licht wurde entwickelt. Die Wellentheorie des Lichts ist organisch mit der geometrischen Optik verbunden: Im Grenzfall, da  → 0, lassen sich die Gesetze der Optik in der Sprache der Geometrie formulieren.

Unser Modell hebt den mathematischen Apparat des Wellenmodells nicht auf. Das Hauptziel und das Hauptergebnis unserer Arbeit ist die Einführung solcher Änderungen in der Axiomatik der Theorie, die das Verständnis der physikalischen Essenz des Phänomens vertiefen und Paradoxien beseitigen.

Das Hauptparadoxon moderner Lichtkonzepte ist der Welle-Teilchen-Dualismus (CWD). Licht kann nach den Gesetzen der formalen Logik nicht sowohl Welle als auch Teilchen im herkömmlichen Sinn dieser Begriffe sein. Das Konzept einer Welle impliziert ein Kontinuum, ein homogenes Medium, in dem periodische Störungen der Elemente des Kontinuums auftreten. Der Begriff eines Teilchens impliziert die Isolation und Autonomie einzelner Elemente. Die physikalische Interpretation von HPC ist nicht so einfach.

Die Kombination von Korpuskular- und Wellenmodellen nach dem Prinzip „eine Welle ist eine Störung einer Menge von Teilchen“ erhebt einen Einwand, da das Vorhandensein von Welleneigenschaften in einem einzelnen, einzelnen Lichtteilchen gilt als fest etabliert. Die Interferenz selten fliegender Photonen wurde von Janoshi entdeckt, aber es gibt keine quantitativen Ergebnisse, Details und detaillierte Analysen des Experiments im Schulungskurs. Weder in Nachschlagewerken noch im Kurs zur Geschichte der Physik sind Informationen über solch wichtige, grundlegende Ergebnisse zu finden. Offenbar ist die Frage nach der physikalischen Natur des Lichts bereits ein tiefes Hinterland der Wissenschaft.

Versuchen wir, die quantitativen Parameter von Yanoshis Experiment, die für die Interpretation der Ergebnisse logisch wesentlich sind, anhand einer knauserigen Beschreibung ähnlicher Experimente von Biberman, Sushkin und Fabrikant mit Elektronen zu rekonstruieren. Offensichtlich wurde in Yanoshis Experiment das Interferenzmuster, das von einem kurzen Lichtpuls hoher Intensität J B erhalten wurde, mit dem Muster verglichen, das über einen langen Zeitraum von einem schwachen Photonenfluss J M erhalten wurde. Der wesentliche Unterschied zwischen den beiden betrachteten Situationen besteht darin, dass Im Fall eines Flusses J M sollte die Wechselwirkung von Photonen innerhalb des diffraktiven Instruments ausgeschlossen werden.

Da Janoshi keinen Unterschied in den Interferenzmustern feststellen konnte, schauen wir uns im Rahmen unseres Modells an, welche Bedingungen dafür notwendig sind.

Ein Photon der Länge L f = 4,5 m passiert einen gegebenen Raumpunkt in der Zeit τ = L f / C = 4,5 /3ּ10 8 ≈ 1,5ּ10 –8 s. Wenn das Beugungssystem (Instrument) eine Größe von etwa 1 m hat, wird die Durchgangszeit des Geräts durch ein Photon der Länge L f länger: τ' = (L f + 1) / C ≈ 1,8ּ10 –8 s.

Ein Beobachter von außen kann einzelne Photonen nicht sehen. Ein Versuch, ein Photon zu fixieren, zerstört es – es gibt keine andere Möglichkeit, ein elektrisch neutrales Lichtteilchen zu „sehen“. Das Experiment verwendet zeitlich gemittelte Eigenschaften des Lichts, insbesondere die Intensität (Energie pro Zeiteinheit). Damit sich die Photonen nicht innerhalb der Beugungsvorrichtung schneiden, ist es notwendig, sie räumlich entlang der Bewegungsbahn zu trennen, so dass die Durchgangszeit der Vorrichtung τ' kleiner ist als die Zeit t, die die Ankunft der nächsten Photonen teilt Einbau, d.h. τ' 1,8ּ10 –8 s.

In Experimenten mit Elektronen war das durchschnittliche Zeitintervall zwischen zwei Partikeln, die nacheinander das Beugungssystem passierten, etwa 3–10 4 mal länger als die Zeit, die ein Elektron benötigte, um die gesamte Vorrichtung zu passieren. Für Punktteilchen ist diese Beziehung überzeugend.

Das Experiment mit Licht hat einen wesentlichen Unterschied zum Experiment mit Elektronen. Lässt sich die Eindeutigkeit von Elektronen durch eine leichte Verzerrung ihrer Energie kontrollieren, so ist dies bei Photonen nicht möglich. Beim Experiment mit Photonen kann der Glaube an die Isolierung von Photonen im Raum nicht vollständig sein; Es ist statistisch möglich, dass zwei Photonen fast gleichzeitig eintreffen. Dies kann über eine lange Beobachtungszeit ein schwaches Interferenzmuster ergeben.

Die Ergebnisse von Yanoshis Experimenten sind unbestreitbar, jedoch kann eine solche Schlussfolgerung nicht über die Theorie der Erfahrung gezogen werden. Theoretisch wird tatsächlich postuliert, dass das Interferenzmuster allein durch die Wechselwirkung von Partikeln untereinander auf der Oberfläche des Bildschirms entsteht. Bei starken Lichtströmen und dem Vorhandensein vieler Partikel ist dies die intuitiv wahrscheinlichste Ursache für Interferenzen, aber bei schwachen Lichtströmen kann auch ein weiterer Grund für das Auftreten von Periodizität in der Bildschirmbeleuchtung bedeutsam werden. Licht ändert seine Richtung, wenn es auf einen Festkörper trifft. Schlitzkanten, Beugungsgitterstriche und andere Hindernisse, die Beugung verursachen – das ist eine Oberfläche, die alles andere als ideal ist, nicht nur in Bezug auf die Oberflächenbeschaffenheit. Atome der Oberflächenschicht sind eine periodische Struktur mit einer Periode, die mit der Größe eines Atoms vergleichbar ist, d. h. die Periodizität liegt in der Größenordnung von Angström. Der Abstand zwischen Photonenpaaren innerhalb eines Photons ist L 0 ≈ 10 –12 cm, was 4 Größenordnungen kleiner ist. Die Reflexion von Fotopaaren an der periodischen Struktur der Oberfläche soll eine Wiederholung von beleuchteten und unbeleuchteten Stellen auf dem Bildschirm bewirken.

Ungleichheit in den Ausbreitungsrichtungen des reflektierten Lichts sollte immer vorhanden sein, wenn es von einer beliebigen Oberfläche reflektiert wird, aber bei starken Lichtströmen sind nur durchschnittliche Eigenschaften signifikant, und dieser Effekt tritt nicht auf. Dies kann bei schwachen Lichtströmen zu einer störungsähnlichen Bildschirmausleuchtung führen.

Da die Dimensionen eines Elektrons auch viel kleiner sind als die Dimensionen der periodischen Struktur der Körperoberfläche, sollte es bei Elektronen auch eine Ungleichheit in den Richtungen beugender Teilchen geben, und bei schwachen Elektronenflüssen kann dies der einzige Grund sein zur Manifestation von Welleneigenschaften.

Somit kann das Vorhandensein von Welleneigenschaften in Partikeln, ob Photonen oder Elektronen, durch das Vorhandensein von Welleneigenschaften der reflektierenden oder brechenden Oberfläche eines diffraktiven Instruments erklärt werden.

Für eine mögliche experimentelle Bestätigung (oder Widerlegung) dieser Hypothese lassen sich einige Effekte vorhersagen.

Wirkung 1

Bei starken Lichtströmen ist der Hauptgrund für die Interferenzeigenschaften von Licht die periodische Struktur des Lichts selbst, ein ausgedehntes Photon. Photonenpaare verschiedener Photonen verstärken sich entweder auf dem Schirm, wenn die Phase übereinstimmt (Vektoren r zwischen den Zentren der Photonen der wechselwirkenden Paare richtungsgleich sind) oder im Falle einer Phasenfehlanpassung schwächer werden (Vektoren r zwischen den Mittelpunkten der Fotos stimmen nicht überein). Im letzteren Fall verursachen Fotopaare von verschiedenen Photonen keine gemeinsame gleichzeitige Aktion, sondern fallen in die Teile des Bildschirms, in denen eine Abnahme der Beleuchtung beobachtet wird.

Ist der Schirm eine transparente Platte, so ist folgender Effekt zu beobachten: Ein Minimum im Auflicht entspricht einem Maximum im Durchlicht. An Stellen, an denen bei reflektiertem Licht ein Minimum an Beleuchtung beobachtet wird, tritt auch Licht ein, wird jedoch an diesen Stellen nicht reflektiert, sondern tritt in die Platte ein.

Die gegenseitige Komplementarität des durch die Platte reflektierten und durchgelassenen Lichts beim Phänomen der Interferenz ist eine wohlbekannte Tatsache, die theoretisch durch einen gut entwickelten formalen mathematischen Apparat des Wellenmodells des Lichts beschrieben wird. Insbesondere wird bei der Reflexion der Verlust einer Halbwelle in die Theorie eingeführt, was die Phasendifferenz zwischen transmittiertem und reflektiertem Anteil „erklärt“.

Neu an unserem Modell ist die Erklärung der physikalischen Natur dieses Phänomens. Wir argumentieren, dass bei schwachen Lichtflüssen, wenn die Wechselwirkung von Photonen innerhalb der Beugungsvorrichtung ausgeschlossen wird, der wesentliche Grund für die Bildung eines Interferenzmusters nicht die periodische Struktur des Lichts selbst ist, sondern die periodische Struktur der Oberfläche des Lichts Gerät, das Beugung verursacht. In diesem Fall kommt es nicht mehr zu einer Wechselwirkung von Photonenpaaren verschiedener Photonen auf der Bildschirmoberfläche, und die Interferenz sollte sich darin äußern, dass an den Stellen, an denen das Licht auftrifft, ein Maximum an Beleuchtung vorhanden ist an anderen Orten wird es nicht sein. An Orten mit minimaler Beleuchtung kommt das Licht überhaupt nicht an, und dies kann überprüft werden das Fehlen gegenseitiger Komplementarität des Interferenzmusters für reflektiertes und durchgelassenes Licht.

Wirkung 2

Eine weitere Möglichkeit, die betrachtete Vorhersage und unsere Hypothese insgesamt zu testen, ist die für schwache Lichtströme ein Beugungsgerät aus einem anderen Material, die sich durch eine unterschiedliche Oberflächendichte von Atomen unterscheidet, sollte bei gleicher Lichtleistung ein anderes Interferenzmuster ergeben. Auch diese Vorhersage ist prinzipiell überprüfbar.

Wirkung 3

Die Atome der Oberfläche des reflektierenden Körpers nehmen an thermischer Bewegung teil, die Knoten des Kristallgitters führen harmonische Schwingungen aus. Eine Erhöhung der Kristalltemperatur sollte bei schwachen Lichtströmen zu einer Unschärfe des Interferenzmusters führen, da die Interferenz in diesem Fall nur von der periodischen Struktur der reflektierenden Oberfläche abhängt. Für starke Lichtflüsse sollte der Einfluss der Temperatur der Beugungsvorrichtung auf das Interferenzmuster schwächer sein, obwohl dies nicht ausgeschlossen ist, da thermische Schwingungen der Kristallgitterplätze die Kohärenzbedingung für die reflektierten Photonenpaare verschiedener Photonen verletzen sollten . Auch diese Vorhersage ist prinzipiell überprüfbar.

Korpuskuläre Eigenschaften des Lichts

In unseren Veröffentlichungen haben wir den Begriff „Strukturmodell eines Photons“ vorgeschlagen. Wenn man heute eine in Anführungszeichen eingeschlossene Wortkombination analysiert, muss man sie als äußerst erfolglos anerkennen. Der Punkt ist, dass in unserem Modell das Photon als lokalisiertes Teilchen nicht existiert. Ein Quantum Strahlungsenergie, das in der modernen Theorie mit einem Photon identifiziert wird, ist in unserem Modell eine Reihe von Vakuumanregungen, Photonenpaare genannt. Anregungen werden im Raum entlang der Bewegungsrichtung verteilt. Trotz der enormen Ausdehnung für den Maßstab der Mikrowelt, aufgrund der Kleinheit des Zeitintervalls, während dessen ein solcher Satz von Paaren an einem Mikroobjekt vorbeifliegt oder mit ihm kollidiert, und auch aufgrund der relativen Trägheit der Objekte der Mikrowelt, Quanten kann von diesen Mikroobjekten vollständig absorbiert werden. Ein Quantenphoton wird nur bei einer solchen Wechselwirkung mit Mikroobjekten als separates Teilchen wahrgenommen, wenn die Wirkung der Wechselwirkung eines Mikroobjekts mit jedem Photonenpaar beispielsweise in Form einer Anregung von akkumuliert werden kann die Elektronenhülle eines Atoms oder Moleküls. Licht weist im Zuge einer solchen Wechselwirkung korpuskuläre Eigenschaften auf, wenn ein wesentlicher, modellbewusster, theoretisch berücksichtigter Faktor die Emission oder Absorption einer bestimmten diskreten Menge an Lichtenergie ist.

Selbst eine formale Vorstellung von Energiequanten ermöglichte es Planck, die Eigenschaften der Schwarzkörperstrahlung zu erklären, und Einstein, das Wesen des photoelektrischen Effekts zu verstehen. Das Konzept der diskreten Energieportionen half dabei, physikalische Phänomene wie Lichtdruck, Lichtreflexion, Streuung neu zu beschreiben - was bereits in der Sprache des Wellenmodells beschrieben wurde. Die Idee der Energiediskretheit und nicht die Idee von Punktteilchen-Photonen - das ist das, was im modernen Korpuskularmodell des Lichts wirklich wesentlich ist. Die Diskretheit des Energiequants ermöglicht es, die Spektren von Atomen und Molekülen zu erklären, aber die Lokalisierung der Energie des Quants in einem isolierten Teilchen widerspricht der experimentellen Tatsache, dass der Zeitpunkt der Emission und der Zeitpunkt der Absorption des Energiequants von einem Atom ist im Maßstab der Mikrowelt ziemlich groß - etwa 10–8 s. Wenn ein Quant ein lokalisiertes Punktteilchen ist, was passiert dann mit diesem Teilchen in einer Zeit von 10–8 s? Die Einführung eines erweiterten Quantenphotons in das physikalische Modell des Lichts ermöglicht es, nicht nur die Prozesse der Emission und Absorption, sondern auch die korpuskulären Eigenschaften der Strahlung im Allgemeinen qualitativ zu verstehen.

Quantitative Parameter von Fotos

In unserem Modell sind ein paar Fotos der Hauptgegenstand der Betrachtung. Im Vergleich zu den Abmessungen eines Photons (Längsabmessungen für sichtbares Licht sind Meter) kann die Vakuumanregung in Form eines Photonenpaars als Punkt betrachtet werden (Längsabmessung etwa 10–14 m) . Lassen Sie uns einige Fotoparameter quantifizieren. Es ist bekannt, dass bei der Vernichtung eines Elektrons und eines Positrons γ-Quanten entstehen. Lassen Sie zwei γ-Quanten geboren werden. Lassen Sie uns die Obergrenze ihrer quantitativen Parameter abschätzen, indem wir annehmen, dass die Energie des Elektrons und des Positrons gleich der Ruheenergie dieser Teilchen ist:

. (1)

Die Anzahl der angezeigten Fotopaare ist:

. (2)

Die Gesamtladung aller (–) Photonen ist –e, wobei e die Elektronenladung ist. Die Gesamtladung aller (+) Photonen ist +e. Berechnen wir den Modul der von einem Foto getragenen Ladung:

Kl. (3)

Ohne Berücksichtigung der dynamischen Wechselwirkung bewegter Ladungen können wir ungefähr annehmen, dass die Zentripetalkraft eines rotierenden Photonenpaars die Kraft ihrer elektrostatischen Wechselwirkung ist. Da die lineare Geschwindigkeit rotierender Ladungen gleich C ist, erhalten wir (im SI-System):

, (4)

wo m 0 / 2 \u003d h E / C 2 - die Masse eines Fotos. Aus (4) erhalten wir einen Ausdruck für den Rotationsradius von Photonenladungszentren:

M. (5)

Betrachtet man den „elektrischen“ Querschnitt eines Photons als Fläche eines Kreises S mit Radius R El, so erhält man:

Das Papier liefert eine Formel zur Berechnung des Wirkungsquerschnitts eines Photons im Rahmen der QED:

, (7)

wobei σ in cm 2 gemessen wird. Unter der Annahme von ω = 2πν und ν = n (ohne Berücksichtigung der Dimension) erhalten wir eine Abschätzung des Wirkungsquerschnitts mit der QED-Methode:

. (8)

Der Unterschied zu unserer Schätzung des Photonenquerschnitts beträgt 6 Größenordnungen oder etwa 9 %. Dabei ist zu beachten, dass unser Ergebnis für den Photonenquerschnitt ~10 –65 cm 2 als obere Abschätzung für die Vernichtung immobiler Teilchen erhalten wurde, während das reale Elektron und Positron die Bewegungsenergie haben. Unter Berücksichtigung der kinetischen Energie sollte der Querschnitt kleiner sein, da in Formel (1) die Energie der in die Strahlung übergehenden Teilchen größer ist und folglich die Anzahl der Photonenpaare größer ist. Der berechnete Wert der Ladung eines Fotos wird kleiner sein (Formel 3), daher werden R El (Formel 5) und der Querschnitt S (Formel 6) kleiner sein. Vor diesem Hintergrund sollte unsere Schätzung des Photonenquerschnitts als ungefähr mit der QED-Schätzung übereinstimmend erkannt werden.

Beachten Sie, dass die spezifische Ladung von Phot mit der spezifischen Ladung eines Elektrons (Positron) übereinstimmt:

. (9)

Wenn ein Photo (wie ein Elektron) einen hypothetischen „Kern“ hat, in dem seine Ladung konzentriert ist, und einen „Pelzmantel“ aus einem gestörten physikalischen Vakuum, dann sollte der „elektrische“ Querschnitt eines Photonenpaars nicht damit übereinstimmen der „mechanische“ Querschnitt. Die Massenschwerpunkte von Photonen sollen mit der Geschwindigkeit C um einen Kreis vom Radius R Mex rotieren. Da C = ωR Mex ist, erhalten wir:

. (10)

Somit ist die Länge des Kreises, entlang dem sich die Fotomassenzentren drehen, gleich der Wellenlänge, was ganz natürlich ist, wenn die Translations- und Rotationsgeschwindigkeiten in unserer Interpretation des Begriffs „Wellenlänge“ gleich sind. Aber in diesem Fall stellt sich heraus, dass für Photonen, die als Ergebnis der oben betrachteten Vernichtung erhalten werden, R Mex ≈ 3,8∙10 –13 m ≈ 10 22 ∙R El. Der Pelzmantel des gestörten Vakuums, der die Kerne der Photonen umgibt, hat im Vergleich zum Kern selbst gigantische Ausmaße.

Natürlich sind das alles eher grobe Schätzungen. Kein neues Modell kann in puncto Genauigkeit mit einem bereits existierenden Modell konkurrieren, das seinen Anfang genommen hat. Als beispielsweise das heliozentrische Modell von Copernicus auftauchte, wurden etwa 70 Jahre lang praktische astronomische Berechnungen nach dem geozentrischen Modell von Ptolemäus durchgeführt, da dies zu einem genaueren Ergebnis führte.

Die Einführung von Modellen auf grundlegend neuer Grundlage in die Wissenschaft ist nicht nur eine Kollision mit subjektivem Widerstand, sondern auch ein objektiver Verlust an Genauigkeit von Berechnungen und Vorhersagen. Auch paradoxe Ergebnisse sind möglich. Das resultierende Ordnungsverhältnis von ~10 22 zwischen elektrischem und mechanischem Rotationsradius von Photonen ist nicht nur unerwartet, sondern auch physikalisch nicht nachvollziehbar. Die einzige Möglichkeit, das erhaltene Verhältnis irgendwie zu verstehen, besteht darin, anzunehmen, dass die Rotation eines Photonenpaars Wirbelcharakter hat, da in diesem Fall, wenn die linearen Geschwindigkeiten der Komponenten in unterschiedlichen Abständen vom Rotationszentrum gleich sind, ihre Winkelgeschwindigkeiten gleich sind sollte anders sein.

Intuitiv ist die Wirbelnatur der Rotation einer dreidimensionalen Struktur aus einem dünnen Medium – dem physikalischen Vakuum – noch verständlicher als die Idee der Rotation eines Photonenpaares, die an die Rotation eines Festkörpers erinnert. Eine Analyse der Wirbelbewegung soll ferner zu einem neuen qualitativen Verständnis des betrachteten Prozesses führen.

Ergebnisse und Schlussfolgerungen

Die Arbeit setzt die Entwicklung von Ideen über die physikalische Natur des Lichts fort. Die physikalische Natur des Korpuskularwellen-Dualismus wird analysiert. In Experimenten zur Interferenz und Beugung schwacher Lichtströme werden grundsätzlich nachweisbare Effekte vorhergesagt. Quantitative Berechnungen mechanischer und elektrischer Parameter von Photonen wurden durchgeführt. Der Wirkungsquerschnitt eines Photonenpaares wird berechnet und ein Rückschluss auf die Wirbelstruktur des Paares gezogen.

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