ویژگی حالت الکترون ها در یک اتم بر اساس موقعیت مکانیک کوانتومی در مورد ماهیت دوگانه یک الکترون است که به طور همزمان دارای خواص یک ذره و یک موج است.

برای اولین بار، ماهیت موجی دوگانه برای نور ایجاد شد. مطالعات تعدادی از پدیده ها (تابش اجسام رشته ای، اثر فوتوالکتریک، طیف های اتمی) به این نتیجه رسید که انرژی به طور پیوسته، بلکه به طور مجزا، در بخش های جداگانه (کوانتوم) منتشر و جذب می شود. فرض کوانتیزه شدن انرژی برای اولین بار توسط ماکس پلانک (1900) و توسط آلبرت انیشتین (1905) اثبات شد: انرژی کوانتومی (∆E) به فرکانس تابش (ν) بستگی دارد:

∆Ε = hν، که h = 6.63 10 -34 J s ثابت پلانک است.

انرژی یک فوتون hν را با ذخیره کل انرژی آن mσ 2 برابر می کنیم و با در نظر گرفتن ν=σ/λ، رابطه ای را به دست می آوریم که رابطه بین خواص موج و جسم فوتون را بیان می کند:

در سال 1924 لویی دو بروگلیپیشنهاد کرد که ماهیت موج جسمی دوگانه نه تنها در تشعشع، بلکه در هر ذره مادی ذاتی است: هر ذره ای که دارای جرم (m) است و با سرعت (υ) حرکت می کند، مربوط به فرآیند موجی با طول موج λ است:

λ = ساعت / مترυ(55)

هر چه جرم ذرات کوچکتر باشد، طول موج بیشتر می شود. بنابراین، تشخیص خواص موجی ذرات درشت دشوار است.

در سال 1927، دانشمندان آمریکایی دیویسون و ژرمر، تامسون انگلیسی و دانشمند شوروی تارتاکوفسکی به طور مستقل پراش الکترونی را کشف کردند که تأییدی تجربی از خواص موجی الکترون ها بود. بعدها، پراش (تداخل) ذرات α، نوترون ها، پروتون ها، اتم ها و حتی مولکول ها کشف شد. در حال حاضر از پراش الکترون برای مطالعه ساختار ماده استفاده می شود.

خواص موجی ذرات بنیادی شامل یکی از اصول مکانیک موج است: اصل عدم قطعیت (دبلیو هایزنبرگ 1925): برای اجسام کوچک در مقیاس اتمی، تعیین همزمان موقعیت یک ذره در فضا و سرعت آن (تکانه) غیرممکن است. هرچه مختصات یک ذره دقیق تر تعیین شود، سرعت آن کمتر می شود و بالعکس. رابطه عدم قطعیت به شکل زیر است:

جایی که ∆x عدم قطعیت موقعیت ذره است، ∆Ρ x عدم قطعیت بزرگی تکانه یا سرعت در جهت x است. روابط مشابهی نیز برای مختصات y و z نوشته شده است. مقدار ℏ موجود در رابطه عدم قطعیت بسیار کوچک است، بنابراین، برای ذرات بزرگ، عدم قطعیت در مقادیر مختصات و لحظه ناچیز است.

بنابراین محاسبه مسیر حرکت الکترون در میدان هسته غیرممکن است و تنها با استفاده از آن می توان احتمال وجود آن در اتم را تخمین زد. تابع موج ψ، که جایگزین مفهوم کلاسیک یک مسیر می شود. تابع موج ψ دامنه موج را بسته به مختصات الکترون مشخص می کند و مربع ψ 2 آن توزیع فضایی الکترون را در اتم تعیین می کند. در ساده ترین نسخه، تابع موج به سه مختصات فضایی بستگی دارد و امکان تعیین احتمال یافتن الکترون در فضای اتمی یا آن را ممکن می سازد. مداری . به این ترتیب، اوربیتال اتمی (AO) ناحیه ای از فضای اتمی است که در آن احتمال یافتن الکترون بیشترین است.

توابع موج با حل رابطه اساسی مکانیک موج به دست می آیند - معادلاتشرودینگر (1926) :

(57)

جایی که h ثابت پلانک است، یک متغیر، U انرژی پتانسیل ذره، E انرژی کل ذره، x، y، z، مختصات هستند.

بنابراین، کوانتیزه شدن انرژی یک میکروسیستم مستقیماً از حل معادله موج حاصل می شود. تابع موج به طور کامل وضعیت الکترون را مشخص می کند.

تابع موج یک سیستم تابعی از حالت سیستم است که مربع آن برابر با چگالی احتمال یافتن الکترون در هر نقطه از فضا است. باید شرایط استاندارد را برآورده کند: پیوسته، متناهی، تک ارزشی، ناپدید شدن در جایی که الکترونی وجود ندارد.

یک راه حل دقیق برای یک اتم هیدروژن یا یون های مشابه هیدروژن به دست می آید؛ برای سیستم های چند الکترونی، تقریب های مختلفی استفاده می شود. سطحی که 90-95 درصد احتمال یافتن الکترون یا چگالی الکترون را محدود می کند، مرز نامیده می شود. اوربیتال اتمی و چگالی ابر الکترونی سطح مرزی (شکل) یکسان و جهت فضایی یکسانی دارند. اوربیتال های اتمی یک الکترون، انرژی و جهت آنها در فضا به چهار پارامتر بستگی دارد - اعداد کوانتومی : اصلی، مداری، مغناطیسی و اسپین. سه مورد اول حرکت یک الکترون در فضا را مشخص می کند و چهارمی - حول محور خودش.

عدد کوانتومیn – اصلی . سطح انرژی یک الکترون در اتم، فاصله سطح از هسته و اندازه ابر الکترونی را تعیین می کند. مقادیر صحیح از 1 تا ∞ را می گیرد و با عدد دوره مطابقت دارد. از سیستم تناوبی برای هر عنصر، با تعداد دوره، می توانید تعداد سطوح انرژی اتم را تعیین کنید و اینکه کدام سطح انرژی خارجی است. بیشتر n، انرژی برهمکنش الکترون با هسته بیشتر است. در n= 1 اتم هیدروژن در حالت پایه است، در n> 1 - در هیجان. اگر یک n∞، سپس الکترون از حجم اتمی خارج شده است. اتم یونیزه می شود.

مثلاعنصر کادمیوم Cd در دوره پنجم قرار دارد پس n=5. در اتم آن، الکترون ها در پنج سطح انرژی توزیع شده اند (n = 1، n = 2، n = 3، n = 4، n = 5). سطح پنجم خارجی خواهد بود (n = 5).

از آنجایی که الکترون همراه با خواص یک موج دارای خواص یک ذره مادی است، با داشتن جرم m، سرعت حرکت V و قرار گرفتن در فاصله از هسته r دارای یک لحظه تکانه است: μ. =mVr.

تکانه زاویه ای دومین (بعد از انرژی) مشخصه یک الکترون است و بر حسب عدد کوانتومی جانبی (آزیموتال، مداری) بیان می شود.

عدد کوانتومی مداریل- شکل ابر الکترونی را تعیین می کند (شکل 7)، انرژی الکترون در سطح فرعی، تعداد سطوح فرعی انرژی. مقادیر از 0 تا را می گیرد n– 1. غیر از مقادیر عددی لحروف دارد الکترون هایی با همان مقدار لیک سطح فرعی تشکیل دهد.

در هر سطح کوانتومی، تعداد سطوح فرعی به شدت محدود و برابر با تعداد لایه است. سطوح فرعی، مانند سطوح انرژی، به ترتیب فاصله آنها از هسته شماره گذاری می شوند (جدول 26).

30.12.2015. 14:00

بسیاری از کسانی که شروع به یادگیری فیزیک می کنند، چه در سال های تحصیلی و چه در مؤسسات آموزش عالی، دیر یا زود با سؤالاتی در مورد نور مواجه می شوند. اول، آنچه را که من در مورد فیزیک امروز می دانیم بیشتر دوست ندارم. پس این تعبیر برخی مفاهیم با حالت چهره کاملا آرام و عدم توجه به پدیده ها و آثار دیگر است. یعنی با کمک برخی قوانین یا قواعد سعی می کنند پدیده های خاصی را توضیح دهند، اما در عین حال سعی می کنند آثاری را که با این تبیین منافات دارد متوجه نشوند. این قبلاً نوعی قاعده تفسیر است - خوب، در مورد این و آن چه؟ عزیزم، گوش کن، ما در حال حاضر در مورد چیز دیگری صحبت می کنیم، فقط آن را نادیده بگیرید. بالاخره در چارچوب این سوال همه چیز می زند؟ خوب خوبه

"گربه شرودینگر" بعدی برای هر دانشی، CWD (دوآلیسم موجی جسمی) است. هنگامی که حالت یک فوتون (ذره ای از نور) یا یک الکترون را می توان با اثرات موجی و جسمی (ذرات) توصیف کرد. در مورد پدیده‌هایی که ویژگی‌های موجی ماده را نشان می‌دهند، همه چیز کم و بیش روشن است، به جز یک چیز - محیطی که این موج در آن منتقل می‌شود. اما در مورد خواص جسمی و به ویژه وجود چنین "ذراتی" نور مانند فوتون ها، من شک زیادی دارم.

مردم از کجا می دانستند که نور ماهیت موجی دارد؟ خوب، این کار با اثرات باز و آزمایشات با نور روز تسهیل شد. به عنوان مثال، مفهومی مانند طیف نور، (طیف مرئی نور) که در آن، بسته به طول موج و بر این اساس، فرکانس، رنگ طیف از قرمز به ارغوانی تغییر می کند و سپس آن را با خود می بینیم. چشم ناقص هر چیزی که در پشت و جلوی آن قرار دارد به مادون قرمز، اشعه رادیویی، فرابنفش، اشعه گاما و غیره اشاره دارد.

به تصویر بالا که طیف تابش الکترومغناطیسی را نشان می دهد توجه کنید. بسته به فرکانس موج تجلی الکترومغناطیسی، می تواند هم تابش گاما و هم نور مرئی باشد و نه تنها مثلاً حتی می تواند یک موج رادیویی باشد. اما آنچه در همه اینها شگفت انگیزتر است، فقط به طیف مرئی نور که در کل محدوده فرکانس بسیار ناچیز است، به دلایلی، ناگهان و فقط منحصراً به آن، خواص ذرات - فوتون ها نسبت داده می شود. بنا به دلایلی، فقط طیف مرئی خواص جسمی را نشان می دهد. شما هرگز در مورد خواص هسته ای امواج رادیویی نخواهید شنید یا بگویید تابش گاما، این نوسانات خواص جسمی را نشان نمی دهند. فقط تا حدی، مفهوم "گاما کوانتوم" در مورد تابش گاما به کار می رود، اما بعداً در مورد آن بیشتر توضیح داده می شود.

و چه پدیده‌ها یا اثرات واقعی وجود خواص جسمی را تأیید می‌کنند، حتی اگر فقط در طیف مرئی نور باشند؟ و اینجا شگفت انگیزترین شروع می شود.

طبق علم رسمی، خواص جسمی نور با دو اثر شناخته شده تأیید می شود. برای کشف و توضیح این اثرات، جوایز نوبل فیزیک به آلبرت انیشتین (عکس-افکت)، آرتور کامپتون (اثر کامپوتن) تعلق گرفت. لازم به ذکر است که چرا افکت عکس نام آلبرت انیشتین را ندارد زیرا جایزه نوبل را برای او دریافت کرد؟ و همه چیز بسیار ساده است، این اثر نه توسط او، بلکه توسط دانشمند با استعداد دیگری (الکساندر بکرل 1839) کشف شد، انیشتین فقط این اثر را توضیح داد.

بیایید با افکت عکس شروع کنیم. به گفته فیزیکدانان، کجا شواهدی وجود دارد که نور خواص جسمی دارد؟

اثر فوتوالکتریک پدیده ای است که در اثر آن الکترون ها از یک ماده در معرض نور یا هر تابش الکترومغناطیسی دیگری ساطع می شود. به عبارت دیگر نور توسط ماده جذب می شود و انرژی آن به الکترون ها منتقل می شود و باعث حرکت منظم آنها می شود و در نتیجه به انرژی الکتریکی تبدیل می شود.

در واقع، مشخص نیست که چگونه فیزیکدانان به این نتیجه رسیدند که به اصطلاح فوتون یک ذره است، زیرا در پدیده اثر فوتوالکتریک ثابت می شود که الکترون ها برای دیدار با فوتون ها به بیرون پرواز می کنند. این واقعیت تفسیر نادرست از پدیده افکت عکس را ارائه می دهد، زیرا یکی از شرایط وقوع این اثر است. اما به گفته فیزیکدانان، این اثر نشان می دهد که فوتون دقیقاً یک ذره است فقط به این دلیل که کاملاً جذب می شود و همچنین به دلیل این واقعیت است که آزاد شدن الکترون ها به شدت تابش بستگی ندارد، بلکه فقط به شدت تابش بستگی دارد. فرکانس به اصطلاح فوتون. به همین دلیل است که مفهوم کوانتوم نور یا جسم متولد شد. اما در اینجا باید بر آنچه در این مورد خاص «شدت» است تمرکز کنیم. از این گذشته، پنل های خورشیدی همچنان با افزایش میزان نوری که روی سطح فتوسل می افتد، الکتریسیته بیشتری تولید می کنند. به عنوان مثال، وقتی از شدت صدا صحبت می کنیم، منظور دامنه ارتعاشات آن است. هر چه دامنه بزرگتر باشد، امواج صوتی انرژی بیشتری را حمل می کند و برای ایجاد چنین موجی به قدرت بیشتری نیاز است. در مورد نور، چنین مفهومی کاملاً وجود ندارد. بر اساس ایده های امروزی در فیزیک، نور دارای فرکانس است، اما دامنه ندارد. که باز هم سوالات زیادی را ایجاد می کند. به عنوان مثال، یک موج رادیویی دارای ویژگی های دامنه است، اما نور مرئی که مثلاً امواج آن کمی کوتاهتر از امواج رادیویی است، دامنه ندارد. تمام این مواردی که در بالا توضیح داده شد فقط می گوید که مفهومی مانند فوتون، به بیان ملایم، مبهم است و همه پدیده هایی که وجود آن را به عنوان تفسیرشان نشان می دهند، قابل بررسی نیستند. یا صرفاً برای حمایت از هر فرضیه ای اختراع می شوند که به احتمال زیاد اینطور است.

در مورد پراکندگی نور کامپتون (اثر کامپوتون)، اصلاً مشخص نیست که چگونه بر اساس این تأثیر، به این نتیجه می‌رسد که نور یک ذره است و نه موج.

به طور کلی، در واقع، امروزه فیزیک تأیید ملموسی ندارد که ذره فوتون کاملاً کامل است و اصولاً به شکل ذره وجود دارد. کوانتوم خاصی وجود دارد که با گرادیان فرکانس مشخص می شود و نه بیشتر. و آنچه از همه جالبتر است، ابعاد (طول) این فوتون، با توجه به E=hv، می تواند از چند ده میکرون تا چندین کیلومتر باشد. و همه اینها هنگام استفاده از کلمه "ذره" برای فوتون کسی را گیج نمی کند.

به عنوان مثال، لیزر فمتوثانیه ای با طول پالس 100 فمتوثانیه دارای طول پالس (فوتون) 30 میکرون است. برای مرجع، در یک کریستال شفاف، فاصله بین اتم ها تقریباً 3 آنگستروم است. خوب، چگونه یک فوتون می تواند از اتم به اتم پرواز کند که مقدار آن چندین برابر این فاصله است؟

اما امروزه، فیزیک از کارکرد با مفهوم کوانتوم، فوتون یا ذره در رابطه با نور ابایی ندارد. فقط توجه نکردن به این واقعیت که در مدل استانداردی که ماده و قوانین موجود بر اساس آن را توصیف می کند نمی گنجد.

اولین ایده های دانشمندان باستان در مورد اینکه نور چیست بسیار ساده لوحانه بود. چند نقطه نظر وجود داشت. برخی بر این باور بودند که شاخک های نازک خاصی از چشم بیرون می آیند و با احساس اشیا، تأثیرات بصری ایجاد می شود. این دیدگاه پیروان زیادی داشت که از جمله اقلیدس، بطلمیوس و بسیاری از دانشمندان و فیلسوفان دیگر بودند. برعکس، برخی دیگر معتقد بودند که پرتوها از یک جسم نورانی ساطع می شوند و با رسیدن به چشم انسان، اثری از یک شی نورانی دارند. این دیدگاه توسط لوکرتیوس، دموکریتوس وجود داشت.

در همان زمان اقلیدس قانون انتشار مستقیم نور را تدوین کرد. او نوشت: پرتوهای ساطع شده از چشم ها در مسیر مستقیم منتشر می شوند.

با این حال، بعدها، در قرون وسطی، چنین ایده ای از ماهیت نور معنای خود را از دست می دهد. دانشمندان کمتر و کمتری از این دیدگاه ها پیروی می کنند. و در آغاز قرن هفدهم. این دیدگاه ها را می توان از قبل فراموش شده در نظر گرفت.

در قرن هفدهم، تقریباً به طور همزمان، دو نظریه کاملاً متفاوت در مورد چیستی نور و ماهیت آن شروع به توسعه کردند.

یکی از این نظریه ها با نام نیوتن و دیگری با نام هویگنس مرتبط است.

نیوتن به نظریه موسوم به جسم نور پایبند بود که طبق آن نور جریانی از ذرات است که از یک منبع در همه جهات (انتقال مواد) می آید.

بر اساس ایده های هویگنز، نور جریانی از امواج است که در یک محیط خاص و فرضی - اتر منتشر می شود، که تمام فضا را پر می کند و به تمام اجسام نفوذ می کند.

هر دو نظریه برای مدت طولانی به موازات یکدیگر وجود داشته اند. هیچ یک از آنها نتوانستند یک پیروزی قاطع کسب کنند. تنها اقتدار نیوتن اکثریت دانشمندان را وادار کرد که نظریه جسمی را ترجیح دهند. قوانین انتشار نور که در آن زمان از تجربه شناخته شده بود، کم و بیش با موفقیت توسط هر دو نظریه توضیح داده شد.

تئوری موج این را به راحتی توضیح داد. امواج، به عنوان مثال، در سطح آب، آزادانه از یکدیگر بدون تأثیر متقابل عبور می کنند.

با این حال، انتشار مستطیلی نور، که منجر به تشکیل سایه‌های تیز در پشت اجسام می‌شود، بر اساس تئوری موج به سختی توضیح داده می‌شود. بر اساس نظریه جسمی، انتشار مستطیلی نور صرفاً نتیجه قانون اینرسی است.

چنین موضع نامشخصی در مورد ماهیت نور تا آغاز قرن نوزدهم ادامه داشت، تا زمانی که پدیده‌های پراش نور (پوشش نور در اطراف موانع) و تداخل نور (تشدید یا تضعیف روشنایی هنگام قرار گرفتن پرتوهای نور بر یکدیگر) کشف شد. . این پدیده ها منحصراً در حرکت موجی ذاتی هستند. توضیح آنها با کمک نظریه جسمانی غیرممکن است. بنابراین به نظر می رسید که نظریه موج یک پیروزی نهایی و کامل را کسب کرده است.

چنین اطمینانی به ویژه زمانی تقویت شد که ماکسول در نیمه دوم قرن نوزدهم نشان داد که نور مورد خاصی از امواج الکترومغناطیسی است. کار ماکسول پایه های تئوری الکترومغناطیسی نور را بنا نهاد.

پس از کشف تجربی امواج الکترومغناطیسی توسط هرتز، شکی وجود نداشت که نور در هنگام انتشار مانند یک موج رفتار می کند.

با این حال، در اواخر قرن 19، ایده ها در مورد ماهیت نور شروع به تغییر اساسی کرد. ناگهان معلوم شد که نظریه جسمی رد شده هنوز با واقعیت مرتبط است.

هنگامی که نور ساطع و جذب می شود، مانند جریانی از ذرات رفتار می کند.

خواص ناپیوسته یا به قول خودشان کوانتومی نور کشف شده است. یک وضعیت غیرعادی به وجود آمده است: پدیده های تداخل و پراش هنوز با در نظر گرفتن نور به عنوان موج قابل توضیح است و پدیده تابش و جذب را می توان با در نظر گرفتن نور به عنوان جریانی از ذرات توضیح داد. این دو ایده به ظاهر ناسازگار در مورد ماهیت نور در دهه 30 قرن بیستم توانستند به طور مداوم در یک نظریه فیزیکی برجسته جدید - الکترودینامیک کوانتومی - ترکیب شوند.

1. خواص موجی نور

نیوتن که درگیر بهبود تلسکوپ ها بود، توجه خود را به این واقعیت جلب کرد که تصویر ارائه شده توسط عدسی در لبه ها رنگی است. او به این امر علاقه مند شد و اولین کسی بود که "تنوع پرتوهای نور و ویژگی های رنگ های ناشی از آن را که هیچ کس پیش از این حتی نمی دانسته بود" بررسی کرد (کلماتی از کتیبه روی قبر نیوتن). . نیوتن حدس زد که یک پرتو نوری با مقطع کوچک به یک منشور بفرستد. پرتوی از نور خورشید از سوراخ کوچکی در دریچه وارد اتاق تاریک شد. با افتادن بر روی یک منشور شیشه ای، شکست خورد و روی دیوار مقابل تصویری کشیده با تناوب رنگین کمانی شکل داد. با پیروی از سنت چند صد ساله که رنگین کمان را شامل هفت رنگ اصلی می دانستند، نیوتن نیز هفت رنگ را شناسایی کرد: بنفش، آبی، فیروزه ای، سبز، زرد، نارنجی و قرمز. نیوتن خود نوار رنگین کمان را طیف نامید.

با بستن سوراخ با شیشه قرمز، نیوتن فقط یک نقطه قرمز روی دیوار مشاهده کرد، آن را با آبی-آبی بسته و غیره. از این نتیجه حاصل شد که همانطور که قبلاً فرض شده بود، این منشور نبود که نور سفید را رنگ آمیزی کرد. منشور رنگ را تغییر نمی دهد، بلکه تنها آن را به اجزای سازنده خود تجزیه می کند. نور سفید ساختار پیچیده ای دارد. می توان پرتوهای رنگ های مختلف را از آن تشخیص داد و تنها عمل مشترک آنها به ما احساس رنگ سفید را می دهد. در واقع، در صورت استفاده از منشور دوم، 180 درجه نسبت به منشور اول می چرخد. تمام پرتوهای طیف را جمع آوری کنید، سپس دوباره نور سفید دریافت می کنید. اگر قسمتی از طیف را به عنوان مثال سبز انتخاب کنیم و نور را مجبور کنیم از منشور دیگری عبور کند، دیگر تغییر رنگ بیشتری نخواهیم داشت.

نتیجه مهم دیگری که نیوتن به آن رسید توسط او در رساله "اپتیک" به صورت زیر فرموله شد: "پرتوهای نوری که از نظر رنگ متفاوت هستند در درجه انکسار متفاوت هستند." پرتوهای بنفش به شدت شکست می‌خورند، پرتوهای قرمز کمتر از بقیه هستند. وابستگی ضریب شکست نور به رنگ آن پراکندگی نامیده می شود (از کلمه لاتین Dispergo، من پراکنده می کنم).

نیوتن مشاهدات خود از طیف را بیشتر بهبود بخشید تا رنگ های خالص تری به دست آورد. از این گذشته، لکه های رنگی گرد پرتو نور که از منشور می گذشت تا حدی روی یکدیگر همپوشانی داشتند. به جای یک سوراخ گرد، از یک شکاف باریک (A) استفاده شد که توسط یک منبع روشن روشن می شد. پشت شکاف یک عدسی (B) قرار داشت که تصویری را روی صفحه نمایش (D) به شکل یک نوار سفید باریک ایجاد می کرد. اگر یک منشور (C) در مسیر پرتوها قرار گیرد، تصویر شکاف به یک طیف کشیده می شود، یک نوار رنگی، انتقال رنگ که در آن از قرمز به بنفش مشابه آنچه در رنگین کمان مشاهده می شود، کشیده می شود. تجربه نیوتن در شکل 1 نشان داده شده است

اگر شکاف را با شیشه رنگی بپوشانید، یعنی. اگر نور رنگی را به جای نور سفید به منشور هدایت کنید، تصویر شکاف به یک مستطیل رنگی که در محل مربوطه در طیف قرار دارد، کاهش می یابد، یعنی. بسته به رنگ، نور به زوایای مختلف از تصویر اصلی منحرف می شود. مشاهدات شرح داده شده نشان می دهد که پرتوهای رنگ های مختلف به طور متفاوتی توسط یک منشور شکست می شوند.

نیوتن این نتیجه مهم را با آزمایش های زیادی تأیید کرد. مهمترین آنها در تعیین ضریب شکست پرتوهای رنگهای مختلف استخراج شده از طیف بود. برای این منظور، سوراخی در صفحه ایجاد شد که در آن طیف به دست می آید. با حرکت دادن صفحه، می توان یک پرتو باریک از پرتوهای یک رنگ یا دیگری را از طریق سوراخ منتشر کرد. این روش برای برجسته کردن پرتوهای همگن کاملتر از برجسته کردن با شیشه های رنگی است. آزمایش‌ها نشان داده‌اند که چنین پرتو انتخابی که در منشور دوم شکسته شده است، دیگر نوار را کشیده نمی‌شود. چنین پرتوی مربوط به یک ضریب شکست خاص است که مقدار آن به رنگ پرتو انتخاب شده بستگی دارد.

بنابراین، آزمایش های اصلی نیوتن شامل دو کشف مهم بود:

1. نور با رنگ های مختلف با ضرایب شکست متفاوت در یک ماده مشخص می شود (پراکندگی).

2. سفید مجموعه ای از رنگ های ساده است.

اکنون می دانیم که رنگ های مختلف با طول موج های مختلف نور مطابقت دارند. بنابراین، اولین کشف نیوتن را می توان به صورت زیر فرموله کرد: ضریب شکست ماده به طول موج نور بستگی دارد. معمولاً با کاهش طول موج افزایش می یابد.

تداخل نور برای مدت بسیار طولانی مشاهده شد، اما آنها متوجه نشدند. بسیاری این الگوی تداخل را هنگام دمیدن حباب‌های صابون در کودکی یا تماشای سرریز رنگ‌های رنگین کمانی لایه‌ای نازک نفت سفید روی سطح آب دیده‌اند. این تداخل نور است که حباب صابون را بسیار تحسین برانگیز می کند.

دانشمند انگلیسی توماس یانگ اولین کسی بود که ایده درخشانی در مورد امکان توضیح رنگ لایه های نازک با افزودن دو موج ارائه کرد که یکی از آنها (A) از سطح بیرونی فیلم منعکس می شود و دومی ( ب) از داخل (شکل 2)

AT

ولی

در این حالت، تداخل امواج نور رخ می دهد - اضافه شدن دو موج، در نتیجه افزایش یا کاهش در ارتعاشات نور حاصل در نقاط مختلف فضا وجود دارد. نتیجه تداخل (تقویت یا تضعیف نوسانات حاصل) به ضخامت فیلم و طول موج بستگی دارد. اگر موج شکست 2 (منعکس شده از سطح داخلی فیلم) از موج 1 (منعکس شده از سطح بیرونی فیلم) با تعداد صحیحی از طول موج ها عقب بماند، تقویت نور رخ می دهد. اگر موج دوم نصف طول موج یا تعداد فرد نیم موج از موج اول عقب بیفتد، نور ضعیف می شود.

برای اینکه یک الگوی تداخل پایدار در هنگام اضافه شدن امواج تشکیل شود، امواج باید منسجم باشند، یعنی. باید طول موج یکسان و اختلاف فاز ثابت داشته باشد. انسجام امواج منعکس شده از سطوح بیرونی و داخلی فیلم با این واقعیت تضمین می شود که هر دوی آنها بخشی از یک پرتو نور هستند. امواج ساطع شده از دو منبع مستقل معمولی به دلیل ثابت نبودن اختلاف فاز دو موج از چنین منابعی، الگوی تداخلی ارائه نمی دهند.

یونگ همچنین متوجه شد که تفاوت رنگ به دلیل تفاوت در طول موج (یا فرکانس) امواج نور است. جریان های نور با رنگ های مختلف با امواج با طول های مختلف مطابقت دارند. تقویت متقابل امواج با طول های مختلف به ضخامت های فیلم متفاوتی نیاز دارد. بنابراین، اگر فیلم دارای ضخامت نابرابر باشد، هنگامی که با نور سفید روشن می شود، رنگ های مختلف باید ظاهر شود.

پراش نور در معنای محدود پدیده خم شدن نور به دور موانع و ورود نور به ناحیه یک سایه هندسی است. به معنای گسترده - هرگونه انحراف در انتشار نور از قوانین اپتیک هندسی.

تعریف سامرفلد: تحت پراش نور، هرگونه انحراف از انتشار مستقیم خطی درک می شود، اگر نتوان آن را به عنوان نتیجه بازتاب، شکست یا خمش پرتوهای نور در محیط هایی با ضریب شکست پیوسته در حال تغییر توضیح داد.

در سال 1802 یونگ، که تداخل نور را کشف کرد، آزمایش کلاسیکی را در مورد پراش انجام داد (شکل 3).

در یک صفحه مات، دو سوراخ کوچک B و C را با یک سنجاق با فاصله کمی از یکدیگر سوراخ کرد. این سوراخ ها توسط یک پرتو نور باریک روشن می شدند که به نوبه خود از سوراخ کوچک A در صفحه دیگری عبور می کرد. این جزئیات بود که در آن زمان فکر کردن به آن بسیار دشوار بود و موفقیت آزمایش را تعیین کرد. فقط امواج منسجم تداخل دارند. موج کروی که مطابق با اصل هویگنس از سوراخ A ایجاد شد، نوسانات منسجم را در سوراخ های B و C برانگیخت. در نتیجه پراش، دو مخروط نوری از سوراخ های B و C بیرون آمدند که تا حدی همپوشانی داشتند. در نتیجه تداخل امواج نور، نوارهای روشن و تیره متناوب روی صفحه ظاهر شد. یونگ با بستن یکی از سوراخ ها متوجه شد که حاشیه های تداخلی ناپدید شده اند. با کمک این آزمایش بود که یونگ برای اولین بار طول موج های مربوط به پرتوهای نور با رنگ های مختلف را اندازه گیری کرد و بسیار دقیق.

مطالعه پراش در آثار فرنل تکمیل شد. او توابع مختلف پراش را در آزمایش‌ها به تفصیل مطالعه کرد و یک تئوری کمی پراش ساخت، که امکان محاسبه الگوی پراش را که وقتی نور از اطراف هر مانعی عبور می‌کند، ایجاد می‌کند.

با استفاده از تئوری پراش، آنها مشکلاتی مانند حفاظت از نویز با استفاده از صفحه های صوتی، انتشار امواج رادیویی بر روی سطح زمین، عملکرد ابزارهای نوری (از آنجایی که تصویر ارائه شده توسط عدسی همیشه یک الگوی پراش است)، اندازه گیری کیفیت سطح را حل می کنند. ، مطالعه ساختار ماده و بسیاری موارد دیگر. .

ویژگی های جدید در مورد ماهیت امواج نور با تجربه عبور نور از کریستال ها، به ویژه از طریق تورمالین، نشان داده شده است.

دو صفحه مستطیلی یکسان از تورمالین را بردارید، طوری برش دهید که یکی از اضلاع مستطیل با جهت خاصی در داخل کریستال منطبق باشد که به آن محور نوری می گویند. بیایید یک صفحه را روی صفحه دیگر بگذاریم تا محورهای آنها در جهت منطبق باشد و اجازه دهیم یک پرتو باریک نور از یک فانوس یا خورشید از بین جفت صفحات تا شده عبور کند. تورمالین یک کریستال قهوه ای مایل به سبز است که اثر پرتو عبوری روی صفحه به صورت یک لکه سبز تیره ظاهر می شود. بیایید شروع به چرخاندن یکی از صفحات به دور پرتو کنیم و دومی را بی حرکت رها کنیم. متوجه خواهیم شد که اثر پرتو ضعیف‌تر می‌شود و وقتی صفحه 90 0 بچرخد، به طور کلی ناپدید می‌شود. با چرخش بیشتر صفحه، پرتو ارسالی دوباره شروع به افزایش می کند و زمانی که صفحه تا 180 0 می چرخد، به شدت قبلی می رسد. هنگامی که محورهای نوری صفحات دوباره موازی هستند. با چرخش بیشتر تورمالین، پرتو دوباره ضعیف می شود.

از این پدیده ها می توان به نتایج زیر دست یافت:

1. ارتعاشات نور در پرتو عمود بر خط انتشار نور هدایت می شود (امواج نور عرضی هستند).

2. تورمالین تنها زمانی قادر به انتقال ارتعاشات نوری است که به روش خاصی نسبت به محور خود هدایت شوند.

3. در پرتو یک فانوس (خورشید) ارتعاشات عرضی از هر جهت و به همان نسبت ارائه می شود به طوری که هیچ جهتی غالب نباشد.

نتیجه 3 توضیح می دهد که چرا نور طبیعی در هر جهتی به همان میزان از تورمالین عبور می کند، اگرچه تورمالین، طبق نتیجه 2، تنها قادر به انتقال ارتعاشات نور در جهت خاصی است. عبور نور طبیعی از تورمالین منجر به این واقعیت می شود که تنها ارتعاشاتی که می توانند توسط تورمالین منتقل شوند از ارتعاشات عرضی انتخاب می شوند. بنابراین نور عبوری از تورمالین مجموعه ای از ارتعاشات عرضی در یک جهت خواهد بود که با جهت گیری محور تورمالین تعیین می شود. ما چنین نوری را قطبی خطی می نامیم و صفحه ای که جهت نوسان و محور پرتو نور را دارد صفحه قطبش نامیده می شود.

اکنون آزمایش عبور نور از دو صفحه تورمالین که پشت سر هم قرار داده شده اند مشخص می شود. صفحه اول پرتو نوری را که از آن عبور می کند قطبی می کند و تنها یک جهت نوسان در آن باقی می ماند. این ارتعاشات تنها در صورتی می توانند از تورمالین دوم به طور کامل عبور کنند که جهت آنها با جهت ارتعاشات منتقل شده توسط تورمالین دوم مطابقت داشته باشد، یعنی. زمانی که محور آن با محور اول موازی باشد. اگر جهت ارتعاشات در نور پلاریزه عمود بر جهت ارتعاشات ارسال شده توسط تورمالین دوم باشد، نور به طور کامل مسدود می شود. اگر جهت نوسان در نور پلاریزه یک زاویه حاد با جهتی که توسط تورمالین منتقل می شود ایجاد کند، نوسان فقط تا حدی منتقل می شود.

2. خواص کوانتومی نور

در سال 1887م هرتز فیزیکدان آلمانی پدیده اثر فوتوالکتریک را توضیح داد. فرضیه کوانتومی پلانک به عنوان مبنایی برای این کار عمل کرد.

پدیده اثر فوتوالکتریک هنگام روشن کردن صفحه روی متصل به میله یک الکترومتر تشخیص داده می شود. اگر بار مثبت به صفحه و میله منتقل شود، الکترومتر هنگام روشن شدن صفحه تخلیه نمی شود. هنگامی که یک بار الکتریکی منفی به صفحه وارد می شود، به محض برخورد اشعه ماوراء بنفش به صفحه، الکترومتر تخلیه می شود. این آزمایش ثابت می کند که بارهای الکتریکی منفی می توانند تحت تأثیر نور از سطح یک صفحه فلزی آزاد شوند. اندازه گیری بار و جرم ذرات پرتاب شده توسط نور نشان داد که این ذرات الکترون هستند.

تلاش هایی برای توضیح قوانین اثر فوتوالکتریک خارجی بر اساس مفاهیم موجی نور انجام شد. با توجه به این ایده ها، مکانیسم اثر فوتوالکتریک به این شکل است. موج نوری روی فلزی می افتد. الکترون هایی که در لایه سطحی آن قرار دارند انرژی این موج را جذب می کنند و انرژی آنها به تدریج افزایش می یابد. هنگامی که از تابع کار بزرگتر می شود، الکترون ها شروع به پرواز از فلز می کنند. بنابراین، نظریه موج نور ظاهراً قادر به توضیح کیفی پدیده اثر فوتوالکتریک است.

با این حال، محاسبات نشان داد که با این توضیح، زمان بین شروع روشنایی فلز و شروع انتشار الکترون باید در حد ده ثانیه باشد. در این میان، از تجربه چنین برمی‌آید که تی<10-9c. Следовательно, волновая теория света не объясняет безинерционности фотоэффекта. Не может она объяснить и остальные законы фотоэффекта.

بر اساس تئوری موج، انرژی جنبشی فوتوالکترون ها باید با افزایش شدت تابش نور به فلز افزایش یابد. و شدت موج با دامنه نوسانات شدت E تعیین می شود و نه با فرکانس نور. (فقط تعداد الکترون های پرتاب شده و شدت جریان اشباع به شدت نور فرودی بستگی دارد).

از تئوری موج چنین استنباط می شود که انرژی لازم برای بیرون راندن الکترون از یک فلز را می توان با تابش هر طول موجی به دست آورد، اگر شدت آن به اندازه کافی زیاد باشد، یعنی. که اثر فوتوالکتریک می تواند توسط هر تابش نور ایجاد شود. با این حال، یک مرز قرمز از اثر فوتوالکتریک وجود دارد، یعنی. انرژی دریافتی توسط الکترون ها به دامنه موج بستگی ندارد، بلکه به فرکانس آن بستگی دارد.

بنابراین، تلاش برای توضیح الگوهای اثر فوتوالکتریک بر اساس مفاهیم موجی نور غیرقابل دفاع بود.

اثر کامپتون تغییر در فرکانس یا طول موج فوتون ها در حین پراکندگی آنها توسط الکترون ها و نوکلئون ها است. این اثر در چارچوب نظریه موج نمی گنجد که طبق آن طول موج در حین پراکندگی نباید تغییر کند: تحت تأثیر میدان تناوبی موج نور، یک الکترون با فرکانس میدان نوسان می کند و بنابراین امواج پراکنده ساطع می کند. با همان فرکانس

تفاوت اثر کامپتون با اثر فوتوالکتریک این است که فوتون انرژی خود را به طور ناقص به ذرات ماده منتقل می کند. یک مورد خاص از اثر کامپتون، پراکندگی پرتوهای ایکس بر روی پوسته های الکترونی اتم ها و پراکندگی پرتوهای گاما بر روی هسته اتم است. در ساده ترین حالت، اثر کامپتون، پراکندگی پرتوهای ایکس تک رنگ توسط مواد سبک (گرافیت، پارافین و ...) است و در بررسی نظری این اثر، در این حالت، الکترون آزاد در نظر گرفته می شود.

توضیح اثر کامپتون بر اساس مفاهیم کوانتومی ماهیت نور ارائه شده است. اگر فرض کنیم، همانطور که نظریه کوانتومی انجام می دهد، تابش ماهیت جسمی دارد.

هم اثر کامپتون و هم اثر فوتوالکتریک بر اساس مفاهیم کوانتومی به دلیل برهمکنش فوتون ها با الکترون ها هستند. در حالت اول فوتون پراکنده می شود و در حالت دوم جذب می شود. پراکندگی زمانی اتفاق می‌افتد که یک فوتون با الکترون‌های آزاد برهم‌کنش می‌کند و اثر فوتوالکتریک زمانی اتفاق می‌افتد که با الکترون‌های محدود برهم‌کنش می‌کند. می توان نشان داد که وقتی یک فوتون با الکترون های آزاد برخورد می کند، جذب فوتون نمی تواند اتفاق بیفتد، زیرا این با قوانین بقای تکانه و انرژی در تضاد است. بنابراین، هنگامی که فوتون ها با الکترون های آزاد برهم کنش می کنند، فقط پراکندگی آنها را می توان مشاهده کرد، یعنی. اثر کامپتون

نتیجه

پدیده های تداخل، پراش، قطبش نور از منابع نور معمولی به طور انکارناپذیری بر خواص موجی نور گواهی می دهند. با این حال، حتی در این پدیده ها، در شرایط مناسب، نور خواص جسمی از خود نشان می دهد. به نوبه خود، نظم تابش حرارتی اجسام، اثر فوتوالکتریک و موارد دیگر به طور غیرقابل انکاری نشان می دهد که نور به عنوان یک موج پیوسته و گسترده رفتار نمی کند، بلکه به عنوان جریانی از "قسمت ها" (بخش ها، کوانتوم) انرژی عمل می کند. مانند جریانی از ذرات - فوتون ها.

بنابراین، نور تداوم امواج و گسستگی ذرات را ترکیب می کند. اگر در نظر بگیریم که فوتون‌ها فقط هنگام حرکت (با سرعت c) وجود دارند، به این نتیجه می‌رسیم که هر دو ویژگی موجی و جسمی به طور همزمان در نور ذاتی هستند. اما در برخی پدیده ها تحت شرایط خاصی یا خاصیت موجی یا جسمی نقش اصلی را ایفا می کند و نور را می توان یا به صورت موج یا ذره (ذره) در نظر گرفت.

فهرست ادبیات استفاده شده

1. یاورسکی بی.ام. Detlaf A.A. کتاب راهنمای فیزیک. - M.: Nauka 2002.

2. Trofimova T.I. دوره فیزیک - M .: دبیرستان 2001.

3. Gursky I.P. فیزیک ابتدایی، ویرایش. I.V. Savelyeva - M.: روشنگری 1984

4. Myakishev G.Ya. بوخوفتسف B.B. فیزیک - M .: آموزش و پرورش 1982.

اولین ایده های دانشمندان باستان در مورد اینکه نور چیست بسیار ساده لوحانه بود. چند نقطه نظر وجود داشت. برخی بر این باور بودند که شاخک های نازک خاصی از چشم بیرون می آیند و با احساس اشیا، تأثیرات بصری ایجاد می شود. این دیدگاه پیروان زیادی داشت که از جمله اقلیدس، بطلمیوس و بسیاری از دانشمندان و فیلسوفان دیگر بودند. برعکس، برخی دیگر معتقد بودند که پرتوها از یک جسم نورانی ساطع می شوند و با رسیدن به چشم انسان، اثری از یک شی نورانی دارند. این دیدگاه توسط لوکرتیوس، دموکریتوس وجود داشت.

در قرن هفدهم، تقریباً به طور همزمان، دو نظریه کاملاً متفاوت در مورد چیستی نور و ماهیت آن شروع به توسعه کردند. یکی از این نظریه ها با نام I. Newton و دیگری با نام H. Huygens مرتبط است.

I. نیوتن پایبند به اصطلاح نظریه جسمی نورکه بر اساس آن نور جریانی از ذرات است که از یک منبع در همه جهات می آید (انتقال مواد).

بر اساس عقاید H. Huygens، نور جریانی از امواج است که در یک محیط فرضی خاص - اتر منتشر می شود که تمام فضا را پر می کند و به تمام اجسام نفوذ می کند.

هر دو نظریه برای مدت طولانی به موازات یکدیگر وجود داشته اند. هیچ یک از آنها نتوانستند یک پیروزی قاطع کسب کنند. فقط اقتدار I. Newton اکثر دانشمندان را مجبور کرد که به نظریه جسمی ترجیح دهند. قوانین انتشار نور که در آن زمان از تجربه شناخته شده بود، کم و بیش با موفقیت توسط هر دو نظریه توضیح داده شد.

بر اساس تئوری جسمی، توضیح اینکه چرا پرتوهای نور که در فضا عبور می کنند، به هیچ وجه روی یکدیگر اثر نمی گذارند، دشوار بود. از این گذشته، ذرات نور باید با هم برخورد کنند و پراکنده شوند.

تئوری موج این را به راحتی توضیح داد. امواج، به عنوان مثال، در سطح آب، آزادانه از یکدیگر بدون تأثیر متقابل عبور می کنند.

با این حال، انتشار مستطیلی نور، که منجر به تشکیل سایه‌های تیز در پشت اجسام می‌شود، بر اساس تئوری موج به سختی توضیح داده می‌شود. بر اساس نظریه جسمی، انتشار مستطیلی نور صرفاً نتیجه قانون اینرسی است.

چنین موضع نامشخصی در مورد ماهیت نور تا آغاز قرن نوزدهم ادامه داشت، تا زمانی که پدیده‌های پراش نور (پوشش نور در اطراف موانع) و تداخل نور (تشدید یا تضعیف روشنایی هنگام قرار گرفتن پرتوهای نور بر یکدیگر) کشف شد. . این پدیده ها منحصراً در حرکت موجی ذاتی هستند. توضیح آنها با کمک نظریه جسمانی غیرممکن است. از خواص موجی نور نیز می توان به پراکندگی نور، پلاریزاسیون اشاره کرد. بنابراین به نظر می رسید که نظریه موج یک پیروزی نهایی و کامل را کسب کرده است.

چنین اطمینانی به ویژه زمانی تقویت شد که دی. ماکسول در نیمه دوم قرن نوزدهم نشان داد که نور مورد خاصی از امواج الکترومغناطیسی است. آثار دی. ماکسول پایه های نظریه الکترومغناطیسی نور را بنا نهاد. پس از کشف تجربی امواج الکترومغناطیسی توسط جی. هرتز، شکی وجود نداشت که نور در هنگام انتشار مانند یک موج رفتار می کند. با این حال، در آغاز قرن بیستم، ایده ها در مورد ماهیت نور شروع به تغییر اساسی کردند. ناگهان معلوم شد که نظریه جسمی رد شده هنوز با واقعیت مرتبط است. هنگامی که نور ساطع و جذب می شود، مانند جریانی از ذرات رفتار می کند. خواص موجی نور نمی تواند الگوهای اثر فوتوالکتریک را توضیح دهد.

یک وضعیت غیرعادی به وجود آمده است. پدیده های تداخل، پراش، قطبش نور از منابع نور معمولی به طور انکارناپذیری بر خواص موجی نور گواهی می دهند. با این حال، حتی در این پدیده ها، در شرایط مناسب، نور خواص جسمی از خود نشان می دهد. به نوبه خود، نظم تابش حرارتی اجسام، اثر فوتوالکتریک و موارد دیگر به طور غیرقابل انکاری نشان می دهد که نور به عنوان یک موج پیوسته و گسترده رفتار نمی کند، بلکه به عنوان جریانی از "قسمت ها" (بخش ها، کوانتوم) انرژی عمل می کند. مانند جریانی از ذرات - فوتون ها.

بنابراین، نور تداوم امواج و گسستگی ذرات را ترکیب می کند. اگر در نظر بگیریم که فوتون‌ها فقط در هنگام حرکت (با سرعت c) وجود دارند، به این نتیجه می‌رسیم که هر دو ویژگی موجی و جسمی به طور همزمان در نور ذاتی هستند، اما در برخی پدیده‌ها، تحت شرایط خاص، ویژگی‌های موجی یا جسمی وجود دارد. نقش اصلی را ایفا می کند و نور را می توان به صورت موج یا ذرات (جسم) در نظر گرفت.

وجود همزمان خواص موجی و جسمی در اجسام نامیده می شود دوگانگی موج - ذره.

خواص موجی ریزذرات پراش الکترون

در سال 1923، فیزیکدان فرانسوی L. de Broglie فرضیه ای را در مورد جهانی بودن دوگانگی موج-ذره مطرح کرد. دی بروگلی استدلال می‌کرد که نه تنها فوتون‌ها، بلکه الکترون‌ها و سایر ذرات ماده، همراه با ذرات جسمی نیز دارای خواص موجی هستند.

به گفته د بروگلی، هر میکرو شی از یک طرف با ویژگی های جسمی - انرژی مرتبط است Eو حرکت پ، و از طرف دیگر ویژگی های موج - فرکانس ν و طول موج λ .

ویژگی‌های جسمی و موجی اجسام ریز با همان روابط کمی مرتبط با فوتون هستند:

\(~E = h \nu ;\;\;\; p = \dfrac(h \nu)(c) = \dfrac(h)(\lambda)\) .

فرضیه دی بروگلی این روابط را برای همه ریز ذرات، از جمله آنهایی که جرم دارند، فرض کرد. متر. هر ذره ای با تکانه با یک فرآیند موجی با طول موج \(~\lambda = \dfrac(h)(p)\) مرتبط بود. برای ذراتی که جرم دارند،

\(~\lambda = \dfrac(h)(p) = \dfrac(h \cdot \sqrt(1 - \dfrac(\upsilon^2)(c^2)))(m \cdot \upsilon)\) .

در تقریب غیر نسبیتی ( υ « ج)

\(~\lambda = \dfrac(h)(m \cdot \upsilon)\).

فرضیه دی بروگلی بر اساس ملاحظات مربوط به تقارن خواص ماده بود و در آن زمان هیچ تایید تجربی نداشت. اما این یک انگیزه انقلابی قدرتمند برای توسعه ایده های جدید در مورد ماهیت اشیاء مادی بود. در طی چندین سال، تعدادی از فیزیکدانان برجسته قرن بیستم - دبلیو. هایزنبرگ، ای. شرودینگر، پی. دیراک، ن. بور و دیگران - مبانی نظری علم جدیدی را توسعه دادند که مکانیک کوانتومی نام داشت.

اولین تایید تجربی فرضیه دو بروگلی در سال 1927 توسط فیزیکدانان آمریکایی K. Devisson و L. Germer به دست آمد. آنها دریافتند که یک پرتو الکترونی پراکنده شده توسط یک کریستال نیکل، یک الگوی پراش متمایز شبیه به الگوی تولید شده توسط پرتوهای ایکس با طول موج کوتاه پراکنده شده توسط کریستال ایجاد می کند. در این آزمایش‌ها، کریستال نقش یک توری پراش طبیعی را بازی می‌کرد. موقعیت حداکثر پراش برای تعیین طول موج پرتو الکترونی استفاده شد که با فرمول دو بروگل مطابقت کامل داشت.

سال بعد، 1928، فیزیکدان انگلیسی جی. تامسون (پسر جی. تامسون که 30 سال قبل الکترون را کشف کرده بود) تأیید جدیدی از فرضیه دو بروگلی دریافت کرد. تامسون در آزمایشات خود، الگوی پراشی را مشاهده کرد که هنگام عبور یک پرتو الکترونی از یک ورق طلای نازک چند کریستالی رخ می دهد. بر روی یک صفحه عکاسی که در پشت یک فویل نصب شده بود، حلقه‌های نور و تاریک متحدالمرکز به وضوح مشاهده شد که شعاع آنها با تغییر در سرعت الکترون (یعنی طول موج) تغییر می‌کرد.

در سالهای بعد، آزمایش جی. تامسون بارها با نتیجه یکسان تکرار شد، از جمله در شرایطی که جریان الکترون آنقدر ضعیف بود که در آن واحد فقط یک ذره می توانست از دستگاه عبور کند (V. A. Fabrikant، 1948). بنابراین، به طور تجربی ثابت شد که خواص موج نه تنها برای مجموعه بزرگی از الکترون ها، بلکه برای هر الکترون به طور جداگانه ذاتی است.

پس از آن، پدیده های پراش برای نوترون ها، پروتون ها، پرتوهای اتمی و مولکولی نیز کشف شد. اثبات تجربی وجود خواص موجی ریزذرات به این نتیجه رسید که این یک پدیده جهانی طبیعت، یک ویژگی کلی ماده است. در نتیجه، خواص موج نیز باید ذاتی در اجسام ماکروسکوپی باشد. با این حال، به دلیل جرم زیاد اجسام ماکروسکوپی، خواص موج آنها را نمی توان به طور تجربی تشخیص داد. به عنوان مثال، یک دانه گرد و غبار با جرم 10-9 گرم، که با سرعت 0.5 متر بر ثانیه حرکت می کند، مربوط به یک موج دو بروگل با طول موج حدود 10-21 متر است، یعنی تقریباً 11 مرتبه قدر کوچکتر. از اندازه اتم ها این طول موج در خارج از منطقه قابل دسترسی برای مشاهده قرار دارد. این مثال نشان می‌دهد که اجسام ماکروسکوپی فقط می‌توانند ویژگی‌های جسمی از خود نشان دهند.

بنابراین، فرضیه تجربی تایید شده دوبرولی در مورد دوگانگی موج-ذره، ایده‌های مربوط به ویژگی‌های ریزابژه‌ها را به شدت تغییر داد.

همه ریز اشیاء هم خاصیت موجی و هم خاصیت جسمی دارند، اما به معنای کلاسیک نه موج هستند و نه ذره. ویژگی های مختلف ریز اشیاء به طور همزمان خود را نشان نمی دهند، آنها یکدیگر را تکمیل می کنند، تنها ترکیب آنها ریز شی را به طور کامل مشخص می کند. این فرمولی است که توسط فیزیکدان معروف دانمارکی N. Bohr فرموله شده است اصل مکملیت. به طور مشروط می توان گفت که اجسام ریز مانند امواج منتشر می شوند و مانند ذرات انرژی تبادل می کنند.

از نقطه نظر تئوری موج، حداکثر در الگوی پراش الکترون با بیشترین شدت امواج دو بروگل مطابقت دارد. تعداد زیادی الکترون در ناحیه ماکزیمم ثبت شده روی صفحه عکاسی قرار می گیرند. اما فرآیند رسیدن الکترون ها به مکان های مختلف در یک صفحه عکاسی فردی نیست. اساساً نمی توان پیش بینی کرد که الکترون بعدی پس از پراکندگی کجا می افتد، فقط احتمال خاصی وجود دارد که یک الکترون در یک مکان یا مکان دیگر سقوط کند. بنابراین، توصیف وضعیت یک میکرو شی و رفتار آن تنها بر اساس تئوری احتمال قابل ارائه است.

امواج د بروگلی امواج الکترومغناطیسی نیستند و هیچ شباهتی در بین انواع امواج مورد مطالعه در فیزیک کلاسیک ندارند، زیرا آنها توسط هیچ منبع امواجی ساطع نمی شوند و به انتشار هیچ میدانی مانند الکترومغناطیسی یا هر میدان دیگری مربوط نمی شوند. آنها با هر ذره متحرک مرتبط هستند، صرف نظر از اینکه دارای بار الکتریکی یا خنثی هستند.

خواص موجیکی از معاصران آیزاک نیوتن، فیزیکدان هلندی، کریستین هویگنس، وجود اجسام را رد نکرد، اما معتقد بود که آنها توسط اجسام نورانی ساطع نمی شوند، بلکه تمام فضا را پر می کنند. هویگنز فرآیند انتشار نور را نه به عنوان یک حرکت رو به جلو، بلکه به عنوان یک فرآیند متوالی از انتقال تاثیر یک جسم به جسم دیگر نشان داد.

طرفداران هویگنس عقیده داشتند که نور یک نوسان در حال انتشار در یک محیط خاص - "اتر" است که کل فضای جهان را پر می کند و آزادانه به تمام اجسام نفوذ می کند. تحریک نور از یک منبع نور توسط اتر در همه جهات منتقل می شود.

بنابراین، ایده های موج اول در مورد ماهیت نور بوجود آمد. ارزش اصلی نظریه موج اولیه نور، اصلی است که در ابتدا توسط هویگنس فرموله شد و سپس توسط فرنل توسعه یافت. اصل هویگنز-فرنل بیان می کند که هر کلیه که با تحریک نور به آن می رسد، به نوبه خود به مرکز امواج ثانویه تبدیل می شود و آنها را در تمام جهات به کلیه های مجاور منتقل می کند.

خواص موجی نور به وضوح در پدیده های تداخل و پراش آشکار می شود.

تداخل نور در این واقعیت نهفته است که وقتی دو موج متقابل قرار می گیرند، نوسانات می توانند تقویت یا ضعیف شوند.اصل تداخل در سال 1801 توسط توماس یانگ انگلیسی (1773-1829) که یک پزشک حرفه ای بود، کشف شد. یونگ آزمایش کلاسیک را با دو سوراخ انجام داد. روی صفحه، دو سوراخ نزدیک به هم با نوک یک سنجاق سوراخ شده بود که با نور خورشید از سوراخ کوچکی در پنجره پرده‌دار روشن می‌شد. پشت صفحه نمایش به جای دو نقطه روشن، یک سری حلقه های تیره و روشن متناوب مشاهده شد.

شرط لازم برای مشاهده الگوی تداخل، پیوستگی امواج (جریان هماهنگ فرآیندهای نوسانی یا موجی) است.

پدیده تداخل به طور گسترده ای در دستگاه ها - تداخل سنج ها استفاده می شود که با کمک آنها اندازه گیری های دقیق مختلفی انجام می شود و سطح سطح قطعات کنترل می شود و همچنین بسیاری از عملیات کنترلی دیگر.

در سال 1818، فرنل گزارش مفصلی در مورد پراش نور به مسابقه آکادمی علوم پاریس ارائه کرد. با توجه به این گزارش، A. Poisson (1781-1840) به این نتیجه رسید که طبق نظریه ارائه شده توسط فرنل، تحت شرایط خاص، در مرکز الگوی پراش از یک مانع گرد مات در مسیر نور باید یک نقطه روشن نه سایه نتیجه گیری خیره کننده ای بود. D.F.Arago (1786-1853) بلافاصله آزمایشی را انجام داد و محاسبات پواسون تأیید شد. بنابراین، نتیجه گیری پواسون که ظاهراً با نظریه فرنل در تضاد بود، با کمک آزمایش آراگو به یکی از دلایل صحت آن تبدیل شد و همچنین آغازی برای شناخت ماهیت موجی نور بود.

پدیده انحراف نور از جهت مستقیم انتشار را پراش می گویند.

بسیاری از دستگاه های نوری مبتنی بر پدیده پراش هستند. به طور خاص، تجهیزات کریستالوگرافی از پراش اشعه ایکس استفاده می کنند.

موجی بودن نور و عرضی بودن امواج نور نیز توسط پدیده ثابت می شود قطبی شدنماهیت پلاریزاسیون به وضوح با یک آزمایش ساده نشان داده می شود: هنگامی که نور از دو کریستال شفاف عبور می کند، شدت آن به جهت گیری متقابل کریستال ها بستگی دارد. با همان جهت، نور بدون تضعیف عبور می کند. وقتی یکی از کریستال ها 90 درجه بچرخد، نور کاملا خاموش می شود، یعنی. از کریستال ها عبور نمی کند.

موجی بودن نور با پدیده پراکندگی نور نیز تایید می شود. یک پرتو موازی باریک از نور سفید، هنگام عبور از یک منشور شیشه ای، به پرتوهای نور با رنگ های مختلف تجزیه می شود. نوار رنگ را طیف پیوسته می گویند. وابستگی سرعت انتشار نور در یک محیط به طول موج، پراکندگی نور نامیده می شود.پراکندگی توسط I. Newton کشف شد.

تجزیه نور سفید با این واقعیت توضیح داده می شود که از امواج الکترومغناطیسی با طول موج های مختلف تشکیل شده است و ضریب شکست به طول موج بستگی دارد. بیشترین مقدار ضریب شکست برای نور با کوتاه ترین طول موج، بنفش و کمترین برای نور طولانی ترین طول موج، قرمز است. آزمایشات نشان داده است که در خلاء سرعت نور برای نور با هر طول موجی یکسان است.

مطالعه پدیده های پراش، تداخل، قطبش و پراکندگی نور منجر به ایجاد نظریه موجی نور شد.

خواص کوانتومی نوردر سال 1887، G. Hertz، هنگام روشن کردن یک صفحه روی متصل به میله یک الکترومتر، پدیده اثر فوتوالکتریک را کشف کرد. اگر بار مثبت به صفحه و میله منتقل شود، الکترومتر هنگام روشن شدن صفحه تخلیه نمی شود. هنگامی که یک بار الکتریکی منفی به صفحه وارد می شود، الکترومتر به محض برخورد تابش به صفحه تخلیه می شود. این آزمایش ثابت می کند که بارهای مرکزی منفی تحت تأثیر نور از سطح یک صفحه فلزی فرار می کنند. اندازه گیری بار و جرم ذرات پرتاب شده توسط نور نشان داد که این ذرات الکترون هستند. پدیده تابش الکترون توسط یک ماده تحت تأثیر تابش الکترومغناطیسی را اثر فوتوالکتریک می نامند.

قوانین کمی اثر فوتوالکتریک در 1888-1889 ایجاد شد. فیزیکدان روسی A.G. استولتوف (1839-1896).

توضیح قوانین اساسی اثر فوتوالکتریک بر اساس تئوری الکترومغناطیسی نور ممکن نبود. نظریه الکترومغناطیسی نور نمی تواند استقلال انرژی فوتوالکترون ها از شدت تابش نور، وجود مرز قرمز اثر فوتوالکتریک، تناسب انرژی جنبشی فوتوالکترون ها با فرکانس نور را توضیح دهد.

نظریه الکترومغناطیسی ماکسول و نظریه الکترونیکی لورنتز، علیرغم موفقیت‌های عظیمشان، تا حدودی متناقض بودند و در کاربرد آن‌ها با مشکلاتی مواجه شد. هر دو نظریه مبتنی بر فرضیه اتر بودند، فقط «اتر الاستیک» با «اتر الکترومغناطیسی» (نظریه ماکسول) یا «اتر ثابت» (نظریه لورنتس) جایگزین شد. نظریه ماکسول قادر به توضیح فرآیندهای گسیل و جذب نور، اثر فوتوالکتریک، پراکندگی کامپتون و غیره نبود. انرژی بیش از طول موج در طول تابش جسم سیاه حرارتی.

این دشواری ها و تضادها به لطف فرضیه جسورانه ای که در سال 1900 توسط فیزیکدان آلمانی M. Planck مطرح شد، برطرف شد. تابش نور به طور پیوسته اتفاق نمی افتد، بلکه به طور مجزا، یعنی در بخش های معینی (کوانتوم) رخ می دهد که انرژی آن با فرکانس n تعیین می شود:

جایی که ساعتثابت پلانک است.

نظریه پلانک نیازی به مفهوم اتر ندارد. او تشعشع حرارتی یک جسم کاملا سیاه را توضیح داد.

الف انیشتین در سال 1905 ایجاد کرد نظریه کوانتومی نور:نه تنها گسیل نور، بلکه انتشار آن نیز به شکل صورت می گیرد شار کوانتوم های نور - فوتون ها،که انرژی آن با فرمول پلانک بالا و تکانه تعیین می شود

که در آن l طول موج است.

خواص کوانتومی امواج الکترومغناطیسی به طور کامل در این موارد آشکار می شود اثر کامپتون:هنگامی که تابش پرتو ایکس تک رنگ توسط ماده ای با اتم های سبک پراکنده می شود، در ترکیب تابش پراکنده، همراه با تابش مشخص شده با طول موج اولیه، تابش با طول موج بلندتر مشاهده می شود.

ایده های کوانتومی در مورد نور با قوانین تابش و جذب نور، قوانین برهمکنش، تابش با ماده مطابقت خوبی دارند. چنین پدیده های به خوبی مطالعه شده مانند تداخل، پراش و قطبش نور به خوبی از نظر مفاهیم موج توضیح داده شده است. همه تنوع خواص و قوانین انتشار نور، برهمکنش آن با ماده نشان می دهد که نور ماهیت پیچیده ای دارد: این یک وحدت از خواص متضاد است - جسمی (کوانتومی) و موجی (الکترومغناطیسی).مسیر طولانی توسعه منجر به ایده های مدرن در مورد ماهیت موج جسمی دوگانه نور.عبارات فوق ویژگی های جسمی تابش - جرم و انرژی یک کوانتوم - را با ویژگی های موج - فرکانس نوسانات و طول موج مرتبط می کند. به این ترتیب، نور وحدت گسست و تداوم است.

سوالاتی برای خودآزمایی

سوال 1. مهمترین وظیفه علم طبیعی چیست؟

1. شناختی

2. جهان بینی

3. غایت شناسی

4. ایجاد یک تصویر طبیعی-علمی از جهان

سوال 2. کلی ترین و مهم ترین مفاهیم بنیادی توصیف فیزیکی طبیعت را نام ببرید.

1. موضوع

2. حرکت

3. فضا

سؤال 3. مقوله فلسفی برای دلالت بر واقعیت عینی که به وسیله محسوسات ما مستقل از آنها وجود دارد، چیست؟

1. آگاهی

2. نمایش

3. موضوع