Elektronien tilan ominaisuus atomissa perustuu kvanttimekaniikan asemaan elektronin kaksoisluonteesta, jolla on samanaikaisesti hiukkasen ja aallon ominaisuuksia.

Ensimmäistä kertaa valolle perustettiin kaksoiskappale-aaltoluonne. Useiden ilmiöiden (kuumien kappaleiden säteily, valosähköinen vaikutus, atomispektrit) tutkimukset johtivat siihen johtopäätökseen, että energiaa ei säteile ja absorboi jatkuvasti, vaan diskreetti erillisinä osina (kvanteina). Energiakvantisointioletuksen teki ensin Max Planck (1900) ja sen perusteli Albert Einstein (1905): kvanttienergia (∆E) riippuu säteilytaajuudesta (ν):

∆Е = hν, missä h = 6,63 10 -34 J s on Planckin vakio.

Yhdistämällä fotonin energia hν sen energian kokonaisreserviin mс 2 ja ottaen huomioon, että ν=с/λ saadaan suhde, joka ilmaisee fotonin aallon ja korpuskulaaristen ominaisuuksien välistä suhdetta:

Vuonna 1924 Louis de Broglie ehdotti, että kaksoiskorpuskulaarinen aaltoluonne ei ole ominaista vain säteilylle, vaan myös mille tahansa materiaalihiukkaselle: jokainen hiukkanen, jonka massa on (m) ja liikkuu nopeudella (υ), vastaa aaltoprosessia, jonka aallonpituus on λ:

λ = h / mυ(55)

Mitä pienempi hiukkasmassa, sitä pidempi aallonpituus. Siksi on vaikea havaita makrohiukkasten aalto-ominaisuuksia.

Vuonna 1927 amerikkalaiset tiedemiehet Davisson ja Germer, englantilainen Thomson ja neuvostoliittolainen Tartakovskii löysivät itsenäisesti elektronideffraktion, joka oli kokeellinen vahvistus elektronien aaltoominaisuuksista. Myöhemmin löydettiin α-hiukkasten, neutronien, protonien, atomien ja jopa molekyylien diffraktio (häiriö). Tällä hetkellä aineen rakenteen tutkimiseen käytetään elektronidiffraktiota.

Alkuainehiukkasten aalto-ominaisuudet sisältävät yhden aaltomekaniikan periaatteista: epävarmuusperiaate (W. Heisenberg 1925): pienille kappaleille atomimittakaavassa on mahdotonta määrittää samanaikaisesti tarkasti hiukkasen sijaintia avaruudessa ja sen nopeutta (vauhtia). Mitä tarkemmin hiukkasen koordinaatit määritetään, sitä epävarmemmaksi sen nopeus tulee ja päinvastoin. Epävarmuussuhteella on muoto:

missä ∆x on hiukkasen sijainnin epävarmuus, ∆Р x on liikemäärän tai nopeuden suuruuden epävarmuus x-suunnassa. Samanlaiset suhteet kirjoitetaan myös y- ja z-koordinaateille. Epävarmuusrelaatioon sisältyvä arvo ℏ on hyvin pieni, joten makrohiukkasten kohdalla koordinaattien ja momenttien arvojen epävarmuudet ovat mitättömiä.

Siksi on mahdotonta laskea elektronin liikerataa ytimen kentässä, sen todennäköisyyttä atomissa voidaan vain arvioida käyttämällä aaltofunktio ψ, joka korvaa klassisen liikeradan käsitteen. Aaltofunktio ψ luonnehtii aallon amplitudia elektronikoordinaateista riippuen ja sen neliö ψ 2 määrittää elektronin tilajakauman atomissa. Yksinkertaisimmassa versiossa aaltofunktio riippuu kolmesta tilakoordinaatista ja mahdollistaa sen, että voidaan määrittää todennäköisyys löytää elektroni atomiavaruudesta tai sen kiertoradalla . Täten, atomikiertorata (AO) on atomiavaruuden alue, jossa elektronin löytämisen todennäköisyys on suurin.

Aaltofunktiot saadaan ratkaisemalla aaltomekaniikan perussuhde - yhtälötSchrödinger (1926) :

(57)

missä h on Planckin vakio, on muuttuja, U on hiukkasen potentiaalienergia, E on hiukkasen kokonaisenergia, x, y, z ovat koordinaatit.

Näin ollen mikrojärjestelmän energian kvantisointi seuraa suoraan aaltoyhtälön ratkaisusta. Aaltofunktio kuvaa täysin elektronin tilan.

Järjestelmän aaltofunktio on järjestelmän tilan funktio, jonka neliö on yhtä suuri kuin todennäköisyystiheys löytää elektroneja kussakin avaruuden pisteessä. Sen on täytettävä standardiehdot: oltava jatkuva, äärellinen, yksiarvoinen, kadota sinne, missä ei ole elektronia.

Vetyatomille tai vedyn kaltaisille ioneille saadaan tarkka ratkaisu, monielektronijärjestelmille käytetään erilaisia ​​approksimaatioita. Pintaa, joka rajoittaa 90-95 % elektronin tai elektronin tiheyden löytämisen todennäköisyydestä, kutsutaan rajaksi. Atomiradalla ja elektronipilven tiheydellä on sama rajapinta (muoto) ja sama avaruudellinen orientaatio. Elektronin atomiradat, niiden energia ja suunta avaruudessa riippuvat neljästä parametrista - kvanttiluvut : pää, orbitaali, magneettinen ja spin. Kolme ensimmäistä kuvaavat elektronin liikettä avaruudessa ja neljäs - oman akselinsa ympäri.

Kvanttilukun – Pääasia . Se määrittää elektronin energiatason atomissa, tason etäisyyden ytimestä ja elektronipilven koon. Se ottaa kokonaislukuarvot väliltä 1 - ∞ ja vastaa jaksonumeroa. Minkä tahansa elementin jaksollisesta järjestelmästä jakson numeron perusteella voit määrittää atomin energiatasojen lukumäärän ja sen, mikä energiataso on ulkoinen. Sitä enemmän n, sitä suurempi on elektronin vuorovaikutusenergia ytimen kanssa. klo n= 1 vetyatomi on perustilassa, klo n> 1 - innoissaan. Jos n∞, silloin elektroni on poistunut atomitilavuudesta. Atomi on ionisoitunut.

Esimerkiksi, elementti kadmium Cd sijaitsee viidennessä jaksossa, joten n=5. Sen atomissa elektronit ovat jakautuneet viidelle energiatasolle (n = 1, n = 2, n = 3, n = 4, n = 5); viides taso on ulkoinen (n = 5).

Koska elektronilla on aallon ominaisuuksien ohella materiaalihiukkasen ominaisuudet, sillä, jolla on massa m, liikenopeus V ja ollessaan etäisyydellä ytimestä r, on liikemäärä: μ =mVr.

Kulmamomentti on elektronin toinen (energian jälkeen) ominaisuus, ja se ilmaistaan ​​sivukvanttilukuna (atsimuutti, orbitaali).

Ratakvanttilukul- määrittää elektronipilven muodon (kuva 7), elektronin energian alatasolla, energia-alatasojen lukumäärän. Ottaa arvot välillä 0 - n– 1. Muut kuin numeeriset arvot l on kirjaimia. Elektronit, joilla on sama arvo l muodostavat alitason.

Jokaisella kvanttitasolla alitasojen lukumäärä on tiukasti rajoitettu ja sama kuin kerroksen lukumäärä. Alatasot, kuten energiatasot, on numeroitu niiden etäisyyden ytimestä mukaisessa järjestyksessä (taulukko 26).

30.12.2015. 14:00

Monet, jotka alkavat oppia fysiikkaa sekä kouluvuosinaan että korkeakouluissa, kohtaavat ennemmin tai myöhemmin kysymyksiä valosta. Ensinnäkin, mistä en pidä eniten fysiikassa, jonka tunnemme nykyään. Tämä on siis joidenkin käsitteiden tulkinta ehdottoman rauhallisella ilmeellä ja huomioimatta muita ilmiöitä ja vaikutuksia. Eli joidenkin lakien tai sääntöjen avulla he yrittävät selittää tiettyjä ilmiöitä, mutta samalla he yrittävät olla huomaamatta vaikutuksia, jotka ovat ristiriidassa tämän selityksen kanssa. Tämä on jo eräänlainen tulkintasääntö - No, entä tämä ja tuo? Kulta, kuuntele, puhumme jostain muusta juuri nyt, jätä se huomiotta. Loppujen lopuksi tämän kysymyksen puitteissa kaikki voittaa? No kiva.

Seuraava "Schrödingerin kissa" kaikille tiedoille on CWD (korpuskulaarinen aaltodualismi). Kun fotonin (valohiukkasen) tai elektronin tilaa voidaan kuvata sekä aaltovaikutuksilla että korpuskulaarisilla (hiukkasilla). Mitä tulee aineen aaltoominaisuuksia osoittaviin ilmiöihin, kaikki on enemmän tai vähemmän selvää, paitsi yksi asia - väliaine, jossa tämä juuri aalto välittyy. Mutta koskien korpuskulaarisia ominaisuuksia ja erityisesti tällaisten valon "hiukkasten" kuten fotonien läsnäoloa, minulla on paljon epäilyksiä.

Mistä ihmiset tiesivät, että valolla on aaltoluonto? No, tätä helpotti avoimet tehosteet ja kokeilut päivänvalolla. Esimerkiksi sellainen käsite kuin valon spektri, (näkyvä valon spektri), jossa spektrin väri muuttuu aallonpituudesta ja vastaavasti taajuudesta riippuen punaisesta violetiksi, ja sitten näemme sen omalla epätäydellinen silmä. Kaikki sen takana ja edessä viittaa infrapuna-, radio-, ultravioletti-, gamma-säteilyyn ja niin edelleen.

Kiinnitä huomiota yllä olevaan kuvaan, joka näyttää sähkömagneettisen säteilyn spektrin. Sähkömagneettisen ilmentymän aallon taajuudesta riippuen se voi olla sekä gammasäteilyä että näkyvää valoa, eikä vain esimerkiksi se voi olla jopa radioaalto. Mutta mikä tässä kaikessa on yllättävintä, vain näkyvälle valon spektrille, joka on niin merkityksetön koko taajuusalueella, jostain syystä YHTÄkkiä ja vain yksinomaan sille liitetään hiukkasten - fotonien - ominaisuuksia. Jostain syystä vain näkyvällä spektrillä on korpuskulaarisia ominaisuuksia. Et tule koskaan kuulemaan radioaaltojen tai vaikkapa gammasäteilyn korpuskulaarisista ominaisuuksista, näillä vaihteluilla ei ole korpuskulaarisia ominaisuuksia. Vain osittain "gamma-kvantin" käsitettä sovelletaan gammasäteilyyn, mutta siitä lisää myöhemmin.

Ja mitkä todelliset ilmiöt tai vaikutukset vahvistavat korpuskulaaristen ominaisuuksien olemassaolon, vaikka vain näkyvässä valon spektrissä? Ja tästä alkaa yllättävin.

Virallisen tieteen mukaan valon korpuskulaariset ominaisuudet vahvistetaan kahdella hyvin tunnetulla vaikutuksella. Näiden vaikutusten löytämisestä ja selittämisestä fysiikan Nobel-palkinnot myönnettiin Albert Einsteinille (valokuvaefekti), Arthur Comptonille (Compotne-ilmiö). On syytä huomata kysymyksellä - miksi valokuvatehoste ei kanna Albert Einsteinin nimeä, koska hän sai Nobelin palkinnon? Ja kaikki on hyvin yksinkertaista, tätä vaikutusta ei löytänyt hän, vaan toinen lahjakas tiedemies (Alexander Becquerel 1839), Einstein vain selitti vaikutuksen.

Aloitetaan valokuvatehosteella. Missä fyysikkojen mukaan on todisteita siitä, että valolla on korpuskulaarisia ominaisuuksia?

Valosähköinen vaikutus on ilmiö, jonka seurauksena aine emittoi elektroneja, kun se altistuu valolle tai muulle sähkömagneettiselle säteilylle. Toisin sanoen valo absorboituu aineeseen ja sen energia siirtyy elektroneihin, jolloin ne liikkuvat säännöllisesti ja muuttuvat siten sähköenergiaksi.

Itse asiassa ei ole selvää, kuinka fyysikot päätyivät siihen johtopäätökseen, että niin kutsuttu fotoni on hiukkanen, koska valosähköilmiön ilmiössä on todettu, että elektronit lentävät ulos kohtaamaan fotoneja. Tämä tosiasia antaa käsityksen valoefektin ilmiön virheellisestä tulkinnasta, koska se on yksi tämän vaikutuksen esiintymisen edellytyksistä. Mutta fyysikkojen mukaan tämä vaikutus osoittaa, että fotoni on vain hiukkanen vain siksi, että se on täysin absorboitunut, ja myös siitä syystä, että elektronien vapautuminen ei riipu säteilyn voimakkuudesta, vaan yksinomaan säteilyn voimakkuudesta. niin sanotun fotonin taajuudella. Tästä syystä syntyi käsite valon kvantti tai verisolu. Mutta tässä meidän pitäisi keskittyä siihen, mikä on "intensiteetti" tässä nimenomaisessa tapauksessa. Loppujen lopuksi aurinkopaneelit tuottavat yhä enemmän sähköä valokennon pinnalle putoavan valon määrän lisääntyessä. Esimerkiksi kun puhumme äänen intensiteetistä, tarkoitamme sen värähtelyjen amplitudia. Mitä suurempi amplitudi, sitä enemmän energiaa akustinen aalto kuljettaa ja sitä enemmän tehoa tarvitaan sellaisen aallon luomiseen. Valon tapauksessa tällainen käsite puuttuu kokonaan. Tämän päivän fysiikan käsityksen mukaan valolla on taajuus, mutta ei amplitudia. Mikä taas herättää paljon kysymyksiä. Esimerkiksi radioaalolla on amplitudiominaisuudet, mutta näkyvällä valolla, jonka aallot ovat esimerkiksi radioaaltoja lyhyempiä, ei ole amplitudia. Kaikki tämä edellä kuvattu kertoo vain, että sellainen käsite kuin fotoni on lievästi sanottuna epämääräinen, ja kaikki ilmiöt, jotka osoittavat sen olemassaolon, koska niiden tulkinta ei kestä tarkastelua. Tai ne on yksinkertaisesti keksitty minkä tahansa hypoteesin tueksi, mikä todennäköisimmin pitää paikkansa.

Mitä tulee valon Compton-sirontaan (Comoton-efektiin), ei ole ollenkaan selvää, kuinka tämän vaikutuksen perusteella päätellään, että valo on hiukkanen eikä aalto.

Yleisesti ottaen itse asiassa nykyään fysiikassa ei ole konkreettista vahvistusta siitä, että fotonihiukkanen on täysimittainen ja periaatteessa olemassa hiukkasen muodossa. On olemassa tietty kvantti, jolle on ominaista taajuusgradientti, ei enempää. Ja mikä mielenkiintoisinta, tämän fotonin mitat (pituus) E=hv:n mukaan voivat olla useista kymmenistä mikroneista useisiin kilometreihin. Ja kaikki tämä ei hämmennä ketään, kun käytetään sanaa "hiukkanen" fotonista.

Esimerkiksi femtosekunnin laserin, jonka pulssin pituus on 100 femtosekuntia, pulssin (fotoni) pituus on 30 mikronia. Vertailun vuoksi, läpinäkyvässä kiteessä atomien välinen etäisyys on noin 3 angströmiä. No, kuinka fotoni voi lentää atomista atomiin, jonka arvo on useita kertoja suurempi kuin tämä etäisyys?

Mutta nykyään fysiikka ei epäröi toimia kvantin, fotonin tai hiukkasen käsitteen kanssa suhteessa valoon. Ei vain kiinnitetä huomiota siihen, että se ei sovi standardimalliin, joka kuvaa ainetta ja lakeja, joiden mukaan se on olemassa.

Muinaisten tiedemiesten ensimmäiset ajatukset siitä, mitä valo on, olivat hyvin naiiveja. Näkökulmia oli useita. Jotkut uskoivat, että erityisiä ohuita lonkeroita tulee silmistä ja visuaalisia vaikutelmia syntyy, kun he tuntevat esineitä. Tällä näkökulmalla oli suuri joukko kannattajia, joiden joukossa olivat Eukleides, Ptolemaios ja monet muut tiedemiehet ja filosofit. Toiset päinvastoin uskoivat, että säteet säteilevät valovoimaa ja että ne saavuttavat ihmissilmän valaisevan esineen jäljen. Tämä näkökanta oli Lucretius, Demokritos.

Samaan aikaan Euclid muotoili valon suoraviivaisen etenemisen lain. Hän kirjoitti: "Silmien lähettämät säteet etenevät suoraa polkua pitkin."

Kuitenkin myöhemmin, jo keskiajalla, tällainen käsitys valon luonteesta menettää merkityksensä. Yhä harvemmat tiedemiehet noudattavat näitä näkemyksiä. Ja XVII vuosisadan alussa. näitä näkökulmia voidaan pitää jo unohdettuina.

1600-luvulla alkoi kehittyä lähes samanaikaisesti kaksi täysin erilaista teoriaa valosta ja sen luonteesta.

Toinen näistä teorioista liittyy Newtonin nimeen ja toinen Huygensin nimeen.

Newton noudatti ns. korpuskulaarista valon teoriaa, jonka mukaan valo on lähteestä kaikkiin suuntiin tuleva hiukkasvirta (aineen siirto).

Huygensin ajatusten mukaan valo on aaltojen virta, joka etenee erityisessä, hypoteettisessa väliaineessa - eetterissä, joka täyttää kaiken tilan ja tunkeutuu kaikkiin kehoihin.

Molemmat teoriat ovat olleet rinnakkain pitkään. Kukaan heistä ei voinut voittaa ratkaisevaa voittoa. Vain Newtonin auktoriteetti pakotti enemmistön tiedemiehistä antamaan etusijalle korpuskulaarisen teorian. Molemmilla teorioilla selitettiin enemmän tai vähemmän onnistuneesti tuolloin kokemuksesta tunnetut valon leviämisen lait.

Aaltoteoria selitti tämän helposti. Aallot esimerkiksi veden pinnalla kulkevat vapaasti toistensa läpi ilman keskinäistä vaikutusta.

Valon suoraviivaista etenemistä, joka johtaa terävien varjojen muodostumiseen esineiden taakse, on kuitenkin vaikea selittää aaltoteorian perusteella. Korpuskulaarisen teorian mukaan valon suoraviivainen eteneminen on yksinkertaisesti seurausta inertialaista.

Tällainen epävarma asema valon luonteen suhteen säilyi 1800-luvun alkuun asti, jolloin havaittiin valon diffraktio (valon kietoutuminen esteiden ympärille) ja valon interferenssi (valaistuksen voimistuminen tai heikkeneminen valonsäteiden päällekkäin asettuessa). . Nämä ilmiöt ovat luontaisia ​​yksinomaan aaltoliikkeelle. Niitä on mahdotonta selittää korpuskulaarisen teorian avulla. Siksi vaikutti siltä, ​​että aaltoteoria oli voittanut lopullisen ja täydellisen voiton.

Tällainen luottamus vahvistui erityisesti, kun Maxwell osoitti 1800-luvun jälkipuoliskolla, että valo on sähkömagneettisten aaltojen erikoistapaus. Maxwellin työ loi perustan valon sähkömagneettiselle teorialle.

Hertzin kokeellisen sähkömagneettisten aaltojen löytämisen jälkeen ei ollut epäilystäkään siitä, että valo käyttäytyy aallon tavoin etenemisen aikana.

1800-luvun lopulla käsitykset valon luonteesta alkoivat kuitenkin muuttua radikaalisti. Yhtäkkiä kävi ilmi, että hylätty korpuskulaarinen teoria on edelleen relevantti todellisuuden kannalta.

Kun valo säteilee ja absorboituu, se käyttäytyy kuin hiukkasvirta.

Valon epäjatkuvat tai, kuten sanotaan, kvanttiominaisuudet on löydetty. Poikkeuksellinen tilanne on syntynyt: interferenssi- ja diffraktioilmiöt voidaan edelleen selittää pitämällä valoa aaltoina, ja säteilyn ja absorption ilmiöt voidaan selittää pitämällä valoa hiukkasvirtana. Nämä kaksi näennäisesti yhteensopimatonta ajatusta valon luonteesta 1900-luvun 30-luvulla onnistuivat johdonmukaisesti yhdistämään uudessa erinomaisessa fysikaalisessa teoriassa - kvanttielektrodynamiikassa.

1. Valon aalto-ominaisuudet

Teleskooppien kehittämisessä mukana Newton kiinnitti huomion siihen, että linssin antama kuva on värillinen reunoista. Hän kiinnostui tästä ja oli ensimmäinen, joka "tutki valonsäteiden monimuotoisuutta ja niistä johtuvia värien ominaisuuksia, joita kukaan ei ollut edes tiennyt ennen" (sanoja Newtonin haudalla olevasta kaiverruksesta). Newtonin pääkoe oli nerokkaan yksinkertainen. Newton arvasi lähettävänsä poikkileikkaukseltaan pienen valonsäteen prismaan. Auringonvalo tuli pimennettyyn huoneeseen ikkunaluukun pienen reiän kautta. Lasiprisman päälle pudottuna se taittui ja antoi vastakkaiselle seinälle pitkänomaisen kuvan, jossa värit vaihtelivat irisoivasti. Seuraamalla vuosisatoja vanhaa perinnettä, jonka mukaan sateenkaaren katsottiin koostuvan seitsemästä pääväristä, Newton tunnisti myös seitsemän väriä: violetti, sininen, syaani, vihreä, keltainen, oranssi ja punainen. Newton kutsui itse sateenkaarinauhaa spektriksi.

Sulkiessaan reiän punaisella lasilla Newton havaitsi vain punaisen täplän seinällä, sulkemalla sen sini-sinisellä jne. Tästä seurasi, että prisma ei värjännyt valkoista valoa, kuten aiemmin oletettiin. Prisma ei muuta väriä, vaan vain hajottaa sen osiinsa. Valkoisella valolla on monimutkainen rakenne. Siitä on mahdollista erottaa eriväriset palkit, ja vain niiden yhteinen toiminta antaa meille vaikutelman valkoisesta väristä. Itse asiassa, jos käytetään toista prismaa, käännetään 180 astetta ensimmäiseen verrattuna. Kerää kaikki spektrin säteet, niin saat jälleen valkoista valoa. Jos erottelemme minkä tahansa osan spektristä, esimerkiksi vihreän, ja pakotamme valon kulkemaan toisen prisman läpi, emme enää saa värin muutosta.

Toisen tärkeän johtopäätöksen, johon Newton päätyi, hän muotoili optiikkaa käsittelevässä tutkielmassaan seuraavasti: "Valosäteet, jotka eroavat väreistä, eroavat taittumisasteesta." Violetit säteet taittuvat voimakkaimmin, punaiset ovat vähemmän kuin muut. Valon taitekertoimen riippuvuutta sen väristä kutsutaan dispersioksi (latinan sanasta Dispergo, I scatter).

Newton paransi edelleen spektrin havaintojaan saadakseen puhtaampia värejä. Loppujen lopuksi prisman läpi kulkeneen valonsäteen pyöreät värilliset täplät olivat osittain päällekkäin. Pyöreän reiän sijaan käytettiin kapeaa rakoa (A), jota valaisi kirkas lähde. Raon takana oli linssi (B), joka tuotti näytölle (D) kuvan kapean valkoisen raidan muodossa. Jos prisma (C) asetetaan säteiden reitille, raon kuva venytetään spektriksi, värilliseksi nauhaksi, jonka värisiirtymät punaisesta violettiin ovat samanlaisia ​​kuin sateenkaaressa havaitut. Newtonin kokemus on esitetty kuvassa 1

Jos peität raon värillisellä lasilla, esim. Jos suuntaat värillisen valon prismaan valkoisen valon sijaan, raon kuva pienenee värilliseksi suorakulmioksi, joka sijaitsee spektrin vastaavassa paikassa, ts. väristä riippuen valo poikkeaa eri kulmiin alkuperäisestä kuvasta. Kuvattu havainto osoittaa, että eriväriset säteet taittuvat eri tavalla prisman vaikutuksesta.

Newton vahvisti tämän tärkeän päätelmän monilla kokeilla. Tärkein niistä oli spektristä poimittujen eriväristen säteiden taitekertoimen määrittäminen. Tätä tarkoitusta varten näytölle leikattiin reikä, josta spektri saadaan; liikuttamalla näyttöä oli mahdollista päästää reiän läpi kapea yhden tai toisen värin säde. Tämä menetelmä homogeenisten säteiden korostamiseen on täydellisempi kuin korostus värillisellä lasilla. Kokeet ovat osoittaneet, että tällainen valittu säde, joka taittuu toisessa prismassa, ei enää venytä nauhaa. Tällainen säde vastaa tiettyä taitekerrointa, jonka arvo riippuu valitun säteen väristä.

Näin ollen Newtonin pääkokeet sisälsivät kaksi tärkeää löytöä:

1. Erivärisille valoille on ominaista erilaiset taitekertoimet tietyssä aineessa (dispersiossa).

2. Valkoinen on kokoelma yksinkertaisia ​​värejä.

Tiedämme nyt, että eri värit vastaavat eri valon aallonpituuksia. Siksi Newtonin ensimmäinen löytö voidaan muotoilla seuraavasti: aineen taitekerroin riippuu valon aallonpituudesta. Se yleensä kasvaa aallonpituuden pienentyessä.

Valon häiriötä havaittiin hyvin pitkään, mutta he eivät vain ymmärtäneet sitä. Monet ovat nähneet interferenssikuvion, kun he ovat pitäneet hauskaa puhaltaessaan saippuakuplia lapsuudessa tai katsellessaan ohuen kerosiinikalvon värien irisoivaa ylivuotoa veden pinnalla. Valon häiriö tekee saippuakuplasta niin ihailtavan.

Englantilainen tiedemies Thomas Young keksi ensimmäisenä loistavan idean mahdollisuudesta selittää ohuiden kalvojen värejä lisäämällä kaksi aaltoa, joista toinen (A) heijastuu kalvon ulkopinnalta ja toinen ( B) sisemmästä (kuva 2)

SISÄÄN

A

Tässä tapauksessa tapahtuu valoaaltojen häiriötä - kahden aallon lisäystä, jonka seurauksena tuloksena olevat valon värähtelyt lisääntyvät tai vähenevät avaruuden eri pisteissä. Häiriön tulos (syntyvien värähtelyjen vahvistuminen tai vaimennus) riippuu kalvon paksuudesta ja aallonpituudesta. Valon vahvistuminen tapahtuu, jos taittunut aalto 2 (heijastuu kalvon sisäpinnasta) jää jäljessä aallon 1 (heijastuu kalvon ulkopinnalta) aallonpituuksien kokonaisluvulla. Jos toinen aalto on puolen aallonpituuden tai parittoman määrän puoliaaltoja jäljessä ensimmäisestä, valo vaimenee.

Jotta stabiili interferenssikuvio muodostuisi, kun aallot lasketaan yhteen, aaltojen on oltava koherentteja, ts. on oltava sama aallonpituus ja vakio vaihe-ero. Kalvon ulko- ja sisäpinnalta heijastuneiden aaltojen koherenssi varmistetaan sillä, että molemmat ovat saman valonsäteen osia. Kahden tavallisen itsenäisen lähteen lähettämät aallot eivät anna häiriökuviota, koska kahden aallon vaihe-ero tällaisista lähteistä ei ole vakio.

Jung ymmärsi myös, että värierot johtuvat valoaaltojen aallonpituuden (tai taajuuden) erosta. Eriväriset valovirrat vastaavat eripituisia aaltoja. Eripituisten aaltojen keskinäinen vahvistus vaatii erilaisia ​​kalvopaksuuksia. Siksi, jos kalvon paksuus on epätasainen, silloin kun se valaistaan ​​valkoisella valolla, eri värejä tulisi näkyä.

Valon diffraktio suppeassa merkityksessä on ilmiö, jossa valo taipuu esteiden ympärille ja valo tulee geometrisen varjon alueelle; laajassa merkityksessä - mikä tahansa poikkeama valon etenemisessä geometrisen optiikan laeista.

Sommerfeldin määritelmä: Valon diffraktiolla tarkoitetaan mitä tahansa poikkeamaa suoraviivaisesta etenemisestä, jos sitä ei voida selittää valonsäteiden heijastuksen, taittumisen tai taipumisen seurauksena väliaineissa, joiden taitekerroin on jatkuvasti muuttuva.

Vuonna 1802 Jung, joka löysi valon interferenssin, perusti klassisen diffraktiokokeen (kuva 3).

Läpinäkymättömään näyttöön hän lävisti neulalla kaksi pientä reikää B ja C pienellä etäisyydellä toisistaan. Näitä reikiä valaisi kapea valonsäde, joka vuorostaan ​​kulki pienen reiän A läpi toisessa näytössä. Juuri tämä yksityiskohta, jota oli tuolloin erittäin vaikea ajatella, päätti kokeen onnistumisen. Vain koherentit aallot häiritsevät. Huygensin periaatteen mukaisesti reiästä A noussut pallomainen aalto viritti koherentteja värähtelyjä reikissä B ja C. Diffraktion seurauksena rei'istä B ja C ilmestyi kaksi valokartiota, jotka menivät osittain päällekkäin. Valon aaltojen häiriön seurauksena näytölle ilmestyi vuorotellen vaaleita ja tummia raitoja. Sulkiessaan yhden reiän Jung huomasi, että häiriöhapsut katosivat. Tämän kokeen avulla Jung mittasi ensin erivärisiä valonsäteitä vastaavat aallonpituudet ja erittäin tarkasti.

Diffraktiotutkimus valmistui Fresnelin teoksissa. Hän tutki yksityiskohtaisesti diffraktion eri toimintoja kokeissa ja rakensi kvantitatiivisen diffraktioteorian, jonka avulla voidaan laskea diffraktiokuvio, joka syntyy, kun valo kiertää minkä tahansa esteen.

Diffraktioteorian avulla ne ratkaisevat sellaisia ​​ongelmia kuin melunsuojaus akustisten näyttöjen avulla, radioaaltojen eteneminen maan pinnalla, optisten instrumenttien toiminta (koska linssin antama kuva on aina diffraktiokuvio), pinnanlaadun mittaukset. , aineen rakenteen tutkimus ja monet muut.

Uusia ominaisuuksia valoaaltojen luonteesta osoittavat kokemukset valon kulkeutumisesta kiteiden, erityisesti turmaliinin läpi.

Ota kaksi identtistä suorakaiteen muotoista turmaliinilevyä, leikattu niin, että yksi suorakulmion sivuista osuu tiettyyn suuntaan kiteen sisällä, jota kutsutaan optiseksi akseliksi. Laitetaan lautanen toiselle niin, että niiden akselit osuvat kohdakkain, ja annetaan lyhdyn tai auringon kapea valonsäde kulkea taitetun levyparin läpi. Turmaliini on ruskeanvihreä kide, ohitetun säteen jälki näytöllä näkyy tummanvihreänä täplänä. Aloitetaan kääntämällä yksi levy palkin ympäri, jolloin toinen jätetään liikkumatta. Tulemme huomaamaan, että säteen jälki heikkenee ja levyn pyöriessä 90 0 se katoaa kokonaan. Levyä edelleen pyöritettäessä läpäisevä säde alkaa taas kasvaa ja saavuttaa aiemman intensiteetin levyn pyöriessä 180 0, ts. kun levyjen optiset akselit ovat jälleen yhdensuuntaiset. Kun turmaliinia pyöritetään edelleen, säde heikkenee jälleen.

Näistä ilmiöistä voidaan tehdä seuraavat johtopäätökset:

1. Säteen valovärähtelyt suunnataan kohtisuoraan valon etenemisviivaa vastaan ​​(valoaallot ovat poikittaisia).

2. Turmaliini pystyy välittämään valovärähtelyjä vain silloin, kun ne on suunnattu tietyllä tavalla suhteessa sen akseliin.

3. Lyhdyn (auringon) valossa esitetään minkä tahansa suunnan poikittaisvärähtelyjä ja lisäksi samassa suhteessa, joten kumpikaan suunta ei ole hallitseva.

Johtopäätös 3 selittää, miksi luonnonvalo kulkee turmaliinin läpi samassa määrin missä tahansa suunnassa, vaikka turmaliini johtopäätöksen 2 mukaan pystyy välittämään valovärähtelyjä vain tiettyyn suuntaan. Luonnonvalon kulku turmaliinin läpi johtaa siihen, että poikittaisvärähtelyistä valitaan vain ne värähtelyt, jotka turmaliini pystyy välittämään. Siksi turmaliinin läpi kulkeva valo on joukko poikittaisia ​​värähtelyjä yhteen suuntaan, jonka määrää turmaliiniakselin suunta. Kutsumme tällaista valoa lineaarisesti polarisoiduksi, ja tasoa, joka sisältää värähtelysuunnan ja valonsäteen akselin, kutsutaan polarisaatiotasoksi.

Nyt koe valon kulkemisesta kahden peräkkäin sijoitetun turmaliinilevyn läpi käy selväksi. Ensimmäinen levy polarisoi sen läpi kulkevan valonsäteen jättäen siihen vain yhden värähtelysuunnan. Nämä värähtelyt voivat läpäistä toisen turmaliinin kokonaan vain, jos niiden suunta on sama kuin toisen turmaliinin välittämien värähtelyjen suunta, ts. kun sen akseli on yhdensuuntainen ensimmäisen akselin kanssa. Jos värähtelyn suunta polarisoidussa valossa on kohtisuorassa toisen turmaliinin välittämän värähtelyn suuntaan nähden, valo estyy kokonaan. Jos värähtelyn suunta polarisoidussa valossa muodostaa terävän kulman turmaliinin välittämän suunnan kanssa, värähtely välittyy vain osittain.

2. Valon kvanttiominaisuudet

Vuonna 1887 Saksalainen fyysikko Hertz selitti valosähköisen ilmiön. Tämän pohjana oli Planckin kvanttihypoteesi.

Valosähköisen efektin ilmiö havaitaan valaistaessa elektrometrin sauvaan kytkettyä sinkkilevyä. Jos positiivinen varaus siirtyy levyyn ja tankoon, elektrometri ei purkaudu, kun levy on valaistu. Kun levyyn kohdistuu negatiivinen sähkövaraus, elektrometri purkautuu heti, kun ultraviolettisäteily osuu levyyn. Tämä koe osoittaa, että negatiiviset sähkövaraukset voivat vapautua metallilevyn pinnalta valon vaikutuksesta. Valon aiheuttamien hiukkasten varauksen ja massan mittaukset osoittivat, että nämä hiukkaset ovat elektroneja.

Ulkoisen valosähköisen vaikutuksen lakeja yritettiin selittää valon aaltokäsitteiden perusteella. Näiden ideoiden mukaan valosähköisen vaikutuksen mekanismi näyttää tältä. Kevyt aalto putoaa metalliin. Sen pintakerroksessa sijaitsevat elektronit absorboivat tämän aallon energiaa, ja niiden energia kasvaa vähitellen. Kun se on suurempi kuin työfunktio, elektroneja alkaa lentää ulos metallista. Siten valon aaltoteorian oletetaan kykenevän laadullisesti selittämään valosähköisen ilmiön.

Laskelmat kuitenkin osoittivat, että tällä selityksellä metallivalaistuksen alkamisen ja elektronien emission alkamisen välisen ajan pitäisi olla kymmenen sekunnin luokkaa. Kokemuksesta seuraa, että t<10-9c. Следовательно, волновая теория света не объясняет безинерционности фотоэффекта. Не может она объяснить и остальные законы фотоэффекта.

Aaltoteorian mukaan valoelektronien kineettisen energian pitäisi kasvaa metalliin tulevan valon voimakkuuden kasvaessa. Ja aallon intensiteetin määrää intensiteettivaihteluiden E amplitudi, ei valon taajuus. (Vain ulossyötettyjen elektronien määrä ja kyllästysvirran intensiteetti riippuvat tulevan valon voimakkuudesta).

Aaltoteoriasta seuraa, että energia, joka tarvitaan elektronien irrottamiseen metallista, voidaan antaa minkä tahansa aallonpituuden säteilyllä, jos sen intensiteetti on riittävän korkea, ts. että valosähköisen vaikutuksen voi aiheuttaa mikä tahansa valosäteily. Valosähköisellä efektillä on kuitenkin punainen raja, ts. elektronien vastaanottama energia ei riipu aallon amplitudista, vaan sen taajuudesta.

Siten yritykset selittää valosähköisen vaikutuksen kuvioita valon aaltokäsitteiden perusteella osoittautuivat kestämättömiksi.

Compton-ilmiö on muutos fotonien taajuudessa tai aallonpituudessa niiden sironnan aikana elektronien ja nukleonien toimesta. Tämä vaikutus ei sovi aaltoteorian kehykseen, jonka mukaan aallonpituuden ei pitäisi muuttua sironnan aikana: valoaallon jaksollisen kentän vaikutuksesta elektroni värähtelee kentän taajuuden kanssa ja lähettää siksi sironneita aaltoja. samalla taajuudella.

Compton-ilmiö eroaa valosähköisestä efektistä siinä, että fotoni siirtää energiansa aineen hiukkasiin epätäydellisesti. Compton-ilmiön erikoistapaus on röntgensäteiden sironta atomien elektronikuorille ja gammasäteilyn sironta atomiytimille. Yksinkertaisimmassa tapauksessa Compton-ilmiö on monokromaattisten röntgensäteiden sironta kevyillä aineilla (grafiitti, parafiini jne.), ja tämän vaikutuksen teoreettisessa tarkastelussa tässä tapauksessa elektronia pidetään vapaana.

Compton-ilmiön selitys on annettu valon luonteen kvanttikäsitteiden pohjalta. Jos oletetaan, kuten kvanttiteoria tekee, että säteily on luonteeltaan korpuskulaarista.

Sekä Compton-ilmiö että kvanttikäsitteisiin perustuva valosähköinen efekti johtuvat fotonien vuorovaikutuksesta elektronien kanssa. Ensimmäisessä tapauksessa fotoni on sironnut, toisessa se absorboituu. Sironta tapahtuu, kun fotoni on vuorovaikutuksessa vapaiden elektronien kanssa, ja valosähköinen vaikutus tapahtuu, kun se on vuorovaikutuksessa sitoutuneiden elektronien kanssa. Voidaan osoittaa, että kun fotoni törmää vapaiden elektronien kanssa, fotonin absorptio ei voi tapahtua, koska se on ristiriidassa liikemäärän ja energian säilymislakien kanssa. Siksi, kun fotonit ovat vuorovaikutuksessa vapaiden elektronien kanssa, voidaan havaita vain niiden sironta, ts. Compton-efekti.

Johtopäätös

Tavallisista valonlähteistä tulevan valon interferenssi-, diffraktio- ja polarisaatioilmiöt todistavat kiistatta valon aalto-ominaisuuksista. Kuitenkin myös näissä ilmiöissä valolla on sopivissa olosuhteissa korpuskulaarisia ominaisuuksia. Kappaleiden lämpösäteilyn säännöllisyydet, valosähköefekti ja muut puolestaan ​​osoittavat kiistatta, että valo ei toimi jatkuvana, pidennettynä aallona, ​​vaan energian "hyytymien" (osien, kvanttien) virtana, ts. kuin hiukkasvirta - fotonit.

Näin valossa yhdistyvät aaltojen jatkuvuus ja hiukkasten diskreetti. Jos otamme huomioon, että fotonit ovat olemassa vain liikkuessaan (nopeudella c), niin tulemme siihen tulokseen, että sekä aalto- että korpuskulaariset ominaisuudet ovat samanaikaisesti luontaisia ​​valolle. Mutta joissakin ilmiöissä tietyissä olosuhteissa joko aalto- tai korpuskulaariset ominaisuudet ovat pääroolissa, ja valoa voidaan pitää joko aaltona tai hiukkasina (korpuskkeleina).

Luettelo käytetystä kirjallisuudesta

1. Yavorsky B.M. Detlaf A.A. Fysiikan käsikirja. – M.: Nauka 2002.

2. Trofimova T.I. Fysiikan kurssi - M .: Korkeakoulu 2001.

3. Gursky I.P. Elementary Physics, toim. I.V. Saveljeva - M .: Valaistus 1984

4. Myakishev G.Ya. Bukhovtsev B.B. Fysiikka - M .: Koulutus 1982.

Muinaisten tiedemiesten ensimmäiset ajatukset siitä, mitä valo on, olivat hyvin naiiveja. Näkökulmia oli useita. Jotkut uskoivat, että erityisiä ohuita lonkeroita tulee silmistä ja visuaalisia vaikutelmia syntyy, kun he tuntevat esineitä. Tällä näkökulmalla oli suuri joukko kannattajia, joiden joukossa olivat Eukleides, Ptolemaios ja monet muut tiedemiehet ja filosofit. Toiset päinvastoin uskoivat, että säteet säteilevät valovoimaa ja että ne saavuttavat ihmissilmän valaisevan esineen jäljen. Tämä näkökanta oli Lucretius, Demokritos.

1600-luvulla alkoi kehittyä lähes samanaikaisesti kaksi täysin erilaista teoriaa valosta ja sen luonteesta. Yksi näistä teorioista liittyy I. Newtonin nimeen ja toinen - H. Huygensin nimeen.

I. Newton noudatti ns valon korpuskulaarinen teoria, jonka mukaan valo on lähteestä kaikkiin suuntiin tuleva hiukkasvirta (aineen siirto).

H. Huygensin ajatusten mukaan valo on aaltojen virta, joka etenee erityisessä, hypoteettisessa väliaineessa - eetterissä, joka täyttää kaiken tilan ja tunkeutuu kaikkiin kappaleisiin.

Molemmat teoriat ovat olleet rinnakkain pitkään. Kukaan heistä ei voinut voittaa ratkaisevaa voittoa. Vain I. Newtonin auktoriteetti pakotti enemmistön tiedemiehistä antamaan etusijalle korpuskulaarisen teorian. Molemmilla teorioilla selitettiin enemmän tai vähemmän onnistuneesti tuolloin kokemuksesta tunnetut valon leviämisen lait.

Korpuskulaarisen teorian perusteella oli vaikea selittää, miksi avaruudessa risteävät valonsäteet eivät vaikuta toisiinsa millään tavalla. Loppujen lopuksi valohiukkasten täytyy törmätä ja hajota.

Aaltoteoria selitti tämän helposti. Aallot esimerkiksi veden pinnalla kulkevat vapaasti toistensa läpi ilman keskinäistä vaikutusta.

Valon suoraviivaista etenemistä, joka johtaa terävien varjojen muodostumiseen esineiden taakse, on kuitenkin vaikea selittää aaltoteorian perusteella. Korpuskulaarisen teorian mukaan valon suoraviivainen eteneminen on yksinkertaisesti seurausta inertialaista.

Tällainen epävarma asema valon luonteen suhteen säilyi 1800-luvun alkuun asti, jolloin havaittiin valon diffraktio (valon kietoutuminen esteiden ympärille) ja valon interferenssi (valaistuksen voimistuminen tai heikkeneminen valonsäteiden päällekkäin asettuessa). . Nämä ilmiöt ovat luontaisia ​​yksinomaan aaltoliikkeelle. Niitä on mahdotonta selittää korpuskulaarisen teorian avulla. Valon aalto-ominaisuuksiin kuuluu myös valon hajonta, polarisaatio. Siksi vaikutti siltä, ​​että aaltoteoria oli voittanut lopullisen ja täydellisen voiton.

Tällainen luottamus vahvistui erityisesti, kun D. Maxwell osoitti 1800-luvun jälkipuoliskolla, että valo on sähkömagneettisten aaltojen erikoistapaus. D.Maxwellin teokset loivat perustan valon sähkömagneettiselle teorialle. G. Hertzin kokeellisen sähkömagneettisten aaltojen löytämisen jälkeen ei ollut epäilystäkään siitä, että valo käyttäytyy aallon tavoin etenemisen aikana. Kuitenkin 1900-luvun alussa käsitykset valon luonteesta alkoivat muuttua radikaalisti. Yhtäkkiä kävi ilmi, että hylätty korpuskulaarinen teoria on edelleen relevantti todellisuuden kannalta. Kun valo säteilee ja absorboituu, se käyttäytyy kuin hiukkasvirta. Valon aalto-ominaisuudet eivät voineet selittää valosähköisen vaikutuksen kuvioita.

Poikkeuksellinen tilanne on syntynyt. Tavallisista valonlähteistä tulevan valon interferenssi-, diffraktio- ja polarisaatioilmiöt todistavat kiistatta valon aalto-ominaisuuksista. Kuitenkin myös näissä ilmiöissä valolla on sopivissa olosuhteissa korpuskulaarisia ominaisuuksia. Kappaleiden lämpösäteilyn säännöllisyydet, valosähköefekti ja muut puolestaan ​​osoittavat kiistatta, että valo ei toimi jatkuvana, pidennettynä aallona, ​​vaan energian "hyytymien" (osien, kvanttien) virtana, ts. kuin hiukkasvirta - fotonit.

Näin valossa yhdistyvät aaltojen jatkuvuus ja hiukkasten diskreetti. Jos otamme huomioon, että fotonit ovat olemassa vain liikkuessaan (nopeudella c), niin päädymme siihen tulokseen, että sekä aalto- että korpuskulaariset ominaisuudet ovat samanaikaisesti luontaisia ​​valolle, mutta joissain ilmiöissä tietyissä olosuhteissa joko aalto- tai korpuskulaarisia ominaisuuksia. pääroolissa ja valoa voidaan pitää joko aaltona tai hiukkasina (korpuskkeleina).

Aalto- ja korpuskulaaristen ominaisuuksien samanaikaista esiintymistä esineissä kutsutaan aalto-hiukkanen kaksinaisuus.

Mikrohiukkasten aaltoominaisuudet. Elektronien diffraktio

Vuonna 1923 ranskalainen fyysikko L. de Broglie esitti hypoteesin aalto-hiukkasten kaksinaisuuden universaalisuudesta. De Broglie väitti, että ei vain fotoneilla, vaan myös elektroneilla ja muilla ainehiukkasilla, samoin kuin korpuskulaarisilla, on myös aalto-ominaisuuksia.

De Broglien mukaan jokainen mikroobjekti liittyy toisaalta korpuskulaarisiin ominaisuuksiin - energiaan E ja vauhtia s, ja toisaalta aallon ominaisuudet - taajuus ν ja aallonpituus λ .

Mikroobjektien korpuskulaariset ja aalto-ominaisuudet liittyvät samoihin kvantitatiivisiin suhteisiin kuin fotonilla:

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

De Broglien hypoteesi olettaa nämä suhteet kaikille mikropartikkeleille, mukaan lukien ne, joilla on massa m. Mikä tahansa hiukkanen, jolla oli liikemäärä, liitettiin aaltoprosessiin, jonka aallonpituus on \(~\lambda = \dfrac(h)(p)\) . Hiukkasille, joilla on massaa,

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

Ei-relativistisessa approksimaatiossa ( υ « c)

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

De Broglien hypoteesi perustui aineen ominaisuuksien symmetrianäkökohtiin, eikä sillä tuolloin ollut kokeellista vahvistusta. Mutta se oli voimakas vallankumouksellinen sysäys uusien ajatusten kehittämiselle aineellisten esineiden luonteesta. Useiden vuosien aikana useat 1900-luvun erinomaiset fyysikot - W. Heisenberg, E. Schrödinger, P. Dirac, N. Bohr ja muut - kehittivät uuden tieteen, jota kutsuttiin kvanttimekaniikaksi, teoreettiset perustat.

Ensimmäisen kokeellisen vahvistuksen de Broglien hypoteesille saivat vuonna 1927 amerikkalaiset fyysikot K. Devisson ja L. Germer. He havaitsivat, että nikkelikiteen hajottama elektronisäde tuotti selkeän diffraktiokuvion, joka on samanlainen kuin kiteen hajottamien lyhytaaltoisten röntgensäteiden tuottama. Näissä kokeissa kide toimi luonnollisen diffraktiohilan roolissa. Diffraktiomaksimien sijaintia käytettiin määrittämään elektronisäteen aallonpituus, joka osoittautui täysin sopusoinnuksi de Broglien kaavan kanssa.

Seuraavana vuonna 1928 englantilainen fyysikko J. Thomson (J. Thomsonin poika, joka oli löytänyt elektronin 30 vuotta aiemmin) sai uuden vahvistuksen de Broglien hypoteesille. Kokeissaan Thomson havaitsi diffraktiokuviota, joka syntyy, kun elektronisäde kulkee ohuen monikiteisen kultakalvon läpi. Kalvon taakse asennetussa valokuvalevyssä havaittiin selkeästi samankeskisiä vaaleita ja tummia renkaita, joiden säteet muuttuivat elektronin nopeuden (eli aallonpituuden) muutoksen myötä de Broglien mukaan.

Seuraavina vuosina J. Thomsonin koe toistettiin monta kertaa samalla tuloksella, myös olosuhteissa, joissa elektronivirta oli niin heikko, että vain yksi hiukkanen pääsi kulkemaan laitteen läpi kerrallaan (V. A. Fabrikant, 1948). Siten kokeellisesti osoitettiin, että aalto-ominaisuudet eivät ole luontaisia ​​vain suurelle elektronijoukolle, vaan myös jokaiselle elektronille erikseen.

Myöhemmin havaittiin diffraktioilmiöitä myös neutroneille, protoneille, atomi- ja molekyylisäteille. Kokeellinen todiste mikrohiukkasten aaltoominaisuuksien olemassaolosta johti siihen johtopäätökseen, että tämä on universaali luonnonilmiö, aineen yleinen ominaisuus. Näin ollen aaltoominaisuuksien on oltava myös makroskooppisille kappaleille luontaisia. Makroskooppisten kappaleiden suuren massan vuoksi niiden aalto-ominaisuuksia ei kuitenkaan voida havaita kokeellisesti. Esimerkiksi 0,5 m/s nopeudella liikkuva 10 -9 g:n pölyhie vastaa de Broglien aaltoa, jonka aallonpituus on noin 10 -21 m, eli noin 11 suuruusluokkaa pienempi. kuin atomien koko. Tämä aallonpituus on havainnointialueen ulkopuolella. Tämä esimerkki osoittaa, että makroskooppisilla kappaleilla voi olla vain korpuskulaarisia ominaisuuksia.

Siten de Broglien kokeellisesti vahvistettu hypoteesi aalto-hiukkasten kaksinaisuudesta muutti radikaalisti käsityksiä mikroobjektien ominaisuuksista.

Kaikilla mikroobjekteilla on sekä aalto- että korpuskulaarisia ominaisuuksia, mutta ne eivät kuitenkaan ole aaltoja eivätkä hiukkasia klassisessa mielessä. Mikroobjektien erilaiset ominaisuudet eivät ilmene samanaikaisesti, ne täydentävät toisiaan, vain niiden yhdistelmä luonnehtii mikroobjektia täydellisesti. Tämä on kuuluisan tanskalaisen fyysikon N. Bohrin laatima kaava täydentävyysperiaate. Voidaan ehdollisesti sanoa, että mikroobjektit etenevät aaltojen tavoin ja vaihtavat energiaa kuin hiukkaset.

Aaltoteorian kannalta elektronidiffraktiokuvion maksimit vastaavat de Broglien aaltojen suurinta intensiteettiä. Suuri määrä elektroneja putoaa valokuvalevylle tallennettujen maksimien alueelle. Mutta elektronien saaminen valokuvalevyn eri paikkoihin ei ole yksilöllinen. On pohjimmiltaan mahdotonta ennustaa, mihin seuraava elektroni putoaa sironnan jälkeen, on vain tietty todennäköisyys, että elektroni putoaa johonkin paikkaan. Siten mikroobjektin tilan ja käyttäytymisen kuvaus voidaan antaa vain todennäköisyysteorian perusteella.

De Broglie-aallot eivät ole sähkömagneettisia aaltoja, eikä niillä ole analogia kaikkien klassisen fysiikan tutkittujen aaltotyyppien kanssa, koska niitä ei lähetä mikään aaltolähde, eivätkä ne liity minkään kentän, kuten sähkömagneettisen tai muun kentän, etenemiseen. Ne liittyvät mihin tahansa liikkuvaan hiukkaseen riippumatta siitä, onko se sähköisesti varautunut vai neutraali.

Aallon ominaisuudet. Isaac Newtonin aikalainen, hollantilainen fyysikko Christian Huygens, ei kiistänyt verisolujen olemassaoloa, mutta uskoi, että ne eivät säteile valokappaleista, vaan täyttävät kaiken tilan. Huygens edusti valon etenemisprosessia ei eteenpäin suuntautuvana liikkeenä, vaan peräkkäisenä prosessina, jossa yhdestä solusta toiseen siirretään vaikutus.

Huygensin kannattajat ilmaisivat mielipiteen, että valo on etenevä värähtely erityisessä väliaineessa - "eetterissä", joka täyttää koko maailmantilan ja joka tunkeutuu vapaasti kaikkiin kehoihin. Valonlähteen valoherätys välittyy eetterillä kaikkiin suuntiin.

Siten syntyivät ensimmäiset ajatukset valon luonteesta. Valon alkuaaltoteorian pääarvo on Huygensin alun perin muotoilema ja Fresnelin sitten kehittämä periaate. Huygens-Fresnelin periaate sanoo, että jokaisesta munuaisesta, joka saavutetaan valovirityksellä, tulee vuorostaan ​​toisioaaltojen keskus ja välittää ne kaikkiin suuntiin viereisiin munuaisiin.

Valon aalto-ominaisuudet ilmenevät selkeimmin interferenssin ja diffraktion ilmiöissä.

Valon häiriö johtuu siitä, että kun kaksi aaltoa sijaitsevat toistensa kanssa, värähtelyjä voidaan vahvistaa tai heikentää. Interferenssiperiaatteen keksi vuonna 1801 englantilainen Thomas Young (1773-1829), ammatiltaan lääkäri. Jung suoritti nyt klassisen kokeen kahdella reiällä. Näytölle tehtiin neulan kärjellä kaksi lähekkäin olevaa reikää, joita valaisi auringonvalo verhoikkunassa olevasta pienestä reiästä. Näytön takana kahden kirkkaan pisteen sijasta havaittiin sarja vuorotellen tummia ja vaaleita renkaita.

Välttämätön ehto häiriökuvion havainnolle on aaltojen koherenssi (värähtely- tai aaltoprosessien koordinoitu virtaus).

Häiriöilmiö on laajalti käytössä laitteissa - interferometreissä, joiden avulla suoritetaan erilaisia ​​tarkkoja mittauksia ja ohjataan osien pintakäsittelyä sekä monia muita ohjaustoimintoja.

Vuonna 1818 Fresnel esitti laajan raportin valon diffraktiosta Pariisin tiedeakatemian kilpailuun. Tämän raportin perusteella A. Poisson (1781-1840) tuli siihen tulokseen, että Fresnelin ehdottaman teorian mukaan valon reitillä olevan läpinäkymättömän pyöreän esteen diffraktiokuvion keskellä pitäisi tietyissä olosuhteissa olla valopilkku, ei varjo. Se oli hämmästyttävä johtopäätös. D.F.Arago (1786-1853) aloitti välittömästi kokeen, ja Poissonin laskelmat vahvistettiin. Näin ollen Poissonin Fresnelin teorian kanssa ulkoisesti ristiriidassa oleva johtopäätös muuttui Aragon kokeen avulla yhdeksi todisteeksi sen pätevyydestä ja merkitsi samalla alkua valon aaltoluonteen tunnistamiselle.

Ilmiötä, jossa valo poikkeaa suoraviivaisesta etenemissuunnasta, kutsutaan diffraktioksi.

Monet optiset laitteet perustuvat diffraktioilmiöön. Erityisesti kristallografiset laitteet käyttävät röntgendiffraktiota.

Ilmiö todistaa myös valon aaltoluonteen ja valoaaltojen poikittaisen luonteen polarisaatio. Polarisoinnin olemus osoitetaan selkeästi yksinkertaisella kokeella: kun valo kulkee kahden läpinäkyvän kiteen läpi, sen intensiteetti riippuu kiteiden keskinäisestä orientaatiosta. Samalla suunnalla valo kulkee ilman vaimennusta. Kun yhtä kiteistä käännetään 90°, valo sammuu kokonaan, ts. ei kulje kiteiden läpi.

Valon aaltoluonteen vahvistaa myös valon hajoamisilmiö. Kapea yhdensuuntainen valkoisen valonsäde hajoaa lasiprisman läpi kulkiessaan erivärisiksi valonsäteiksi. Värinauhaa kutsutaan jatkuvaksi spektriksi. Väliaineessa olevan valon etenemisnopeuden riippuvuutta aallonpituudesta kutsutaan valon dispersioksi. Dispersion havaitsi I. Newton.

Valkoisen valon hajoaminen selittyy sillä, että se koostuu eri aallonpituuksista sähkömagneettisista aalloista ja taitekerroin riippuu aallonpituudesta. Lyhyimmän aallonpituuden valon taitekertoimen korkein arvo on violetti, pisimmän aallonpituuden valon pienin on punainen. Kokeet ovat osoittaneet, että tyhjiössä valon nopeus on sama minkä tahansa aallonpituuden omaavalla valolla.

Valon diffraktio-, interferenssi-, polarisaatio- ja dispersioilmiöiden tutkiminen johti valon aaltoteorian perustamiseen.

Valon kvanttiominaisuudet. Vuonna 1887 G. Hertz havaitsi valosähköilmiön, kun se valaisi sähkömetrin sauvaan kytkettyä sinkkilevyä. Jos positiivinen varaus siirtyy levyyn ja tankoon, elektrometri ei purkaudu, kun levy on valaistu. Kun levyyn kohdistuu negatiivinen sähkövaraus, elektrometri purkautuu heti, kun säteily osuu levyyn. Tämä koe osoittaa, että negatiiviset keskeiset varaukset karkaavat metallilevyn pinnalta valon vaikutuksesta. Valon aiheuttamien hiukkasten varauksen ja massan mittaukset osoittivat, että nämä hiukkaset ovat elektroneja. Ilmiötä, jossa aine lähettää elektroneja sähkömagneettisen säteilyn vaikutuksesta, kutsutaan valosähköiseksi efektiksi.

Valosähköisen vaikutuksen määrälliset säännönmukaisuudet määritettiin vuosina 1888-1889. Venäläinen fyysikko A.G. Stoletov (1839-1896).

Valosähköisen vaikutuksen peruslakeja ei voitu selittää valon sähkömagneettisen teorian perusteella. Valon sähkömagneettinen teoria ei pystynyt selittämään fotoelektronien energian riippumattomuutta valon säteilyn voimakkuudesta, valosähköisen vaikutuksen punaisen rajan olemassaoloa, valoelektronien liike-energian suhteellisuutta valon taajuuteen.

Maxwellin sähkömagneettinen teoria ja Lorentzin elektroniikkateoria olivat valtavista menestyksestään huolimatta jonkin verran ristiriitaisia ​​ja niiden soveltamisessa kohtasi useita vaikeuksia. Molemmat teoriat perustuivat eetterihypoteesiin, vain "elastinen eetteri" korvattiin "sähkömagneettisella eetterillä" (Maxwellin teoria) tai "kiinteällä eetterillä" (Lorentzin teoria). Maxwellin teoria ei pystynyt selittämään valon emissio- ja absorptioprosesseja, valosähköistä vaikutusta, Comptonin sirontaa jne. Lorentzin teoria ei puolestaan ​​pystynyt selittämään monia valon ja aineen vuorovaikutukseen liittyviä ilmiöitä, etenkään kysymystä jakautumisesta energiaa aallonpituuksilla lämpömustan kappaleen säteilyn aikana.

Nämä vaikeudet ja ristiriidat voitettiin saksalaisen fyysikon M. Planckin vuonna 1900 esittämän rohkean hypoteesin ansiosta, jonka mukaan valon emissio ei tapahdu jatkuvasti, vaan diskreetti, eli tietyissä osissa (kvanteissa), joiden energia määräytyy taajuudella n:

Missä h on Planckin vakio.

Planckin teoria ei tarvitse eetterin käsitettä. Hän selitti täysin mustan kappaleen lämpösäteilyä.

A. Einstein vuonna 1905 loi valon kvanttiteoria: ei vain valon säteily, vaan myös sen eteneminen tapahtuu muodossa valon kvanttivirta - fotonit, jonka energia määräytyy yllä olevan Planckin kaavan mukaan, ja liikemäärä

missä l on aallonpituus.

Sähkömagneettisten aaltojen kvanttiominaisuudet ilmenevät parhaiten Compton-efekti: Kun monokromaattista röntgensäteilyä hajottaa aine, jossa on valoatomeja, yhdessä alkuperäisellä aallonpituudella tunnusomaisen säteilyn kanssa, sironneen säteilyn koostumuksessa havaitaan pidemmän aallonpituuden säteilyä.

Kvanttikäsitykset valosta ovat hyvin sopusoinnussa säteilyn ja valon absorption lakien, vuorovaikutuksen ja säteilyn kanssa aineen kanssa. Sellaiset hyvin tutkitut ilmiöt kuin valon interferenssi, diffraktio ja polarisaatio ovat hyvin selitettyjä aaltokäsitteiden avulla. Kaikki tutkitut valon etenemisen ominaisuudet ja lait, sen vuorovaikutus aineen kanssa osoittavat sen valolla on monimutkainen luonne: se on vastakkaisten ominaisuuksien yksikkö - korpuskulaarinen (kvantti) ja aalto (sähkömagneettinen). Pitkä kehityspolku on johtanut nykyaikaisia ​​ajatuksia valon kaksoiskappaleaaltoluonteesta. Yllä olevat lausekkeet yhdistävät säteilyn korpuskulaariset ominaisuudet - kvantin massan ja energian - aaltoominaisuuksiin - värähtelytaajuuteen ja aallonpituuteen. Täten, valo on diskreetin ja jatkuvuuden yksikkö.

Kysymyksiä itsetutkiskelua varten

Kysymys 1. Mikä on luonnontieteen tärkein tehtävä.

1. kognitiivinen

2. maailmankuva

3. teleologinen

4. luonnontieteellisen maailmankuvan luominen

Kysymys 2. Nimeä yleisimmät, tärkeimmät luonnonkuvauksen peruskäsitteet.

1. asia

2. liike

3. tila

Kysymys 3. Mikä on filosofinen kategoria kuvaamaan objektiivista todellisuutta, joka näkyy aistimuksistamme riippumatta.

1. tietoisuus

2. näyttö

3. asia