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. Tämän näkemyksen osoitti 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 melkein samanaikaisesti alkoi kehittyä 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. Molemmat teoriat selittivät enemmän tai vähemmän onnistuneesti tuolloin kokemuksesta tunnetut valon etenemisen 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 epämääräinen kanta valon luonteen suhteen säilyi 1800-luvun alkuun saakka, 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 huomiota siihen, että linssin antama kuva on värillinen reunoista. Hän kiinnostui tästä ja oli ensimmäinen, joka "tutki valonsäteiden monimuotoisuutta ja siitä johtuvia värien erityispiirteitä, joita kukaan ei ollut edes tiennyt ennen" (sanoja Newtonin haudalla olevasta kaiverruksesta). Newtonin peruskoe 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: violetin, sinisen, syaanin, vihreän, keltaisen, oranssin ja punaisen. Newton kutsui itse sateenkaarinauhaa spektriksi.

Sulkiessaan reiän punaisella lasilla Newton havaitsi vain punaisen täplän seinässä, 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 opinnäytetyössään seuraavasti: "Valosäteet, jotka eroavat väriltään, 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 menivät 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 sijasta, 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.

Tietäen, että valkoisella valolla on monimutkainen rakenne, voidaan selittää luonnon hämmästyttävä värivalikoima. Jos esine, esimerkiksi paperiarkki, heijastaa kaikki sille putoavat eriväriset säteet, se näyttää valkoiselta. Peitämällä paperin maalikerroksella emme luo uudenväristä valoa, vaan säilytämme osan olemassa olevasta valosta arkille. Vain punaiset säteet heijastuvat nyt, loput imeytyvät maalikerrokseen. Ruoho ja puiden lehdet näyttävät meille vihreiltä, ​​koska kaikki auringonsäteet putoavat niihin, ne heijastavat vain vihreitä ja imevät itseensä loput. Jos katsot ruohoa punaisen lasin läpi, joka läpäisee vain punaisia ​​säteitä, se näyttää melkein mustalta.

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 irisoivaa värien ylivuotoa veden pinnalla. Valon häiriö tekee saippuakuplasta niin ihailtavan.

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

Ensimmäistä kertaa valolle vahvistettiin kaksoiskorpuskulaarinen luonne. Useiden ilmiöiden (hehkuvien kappaleiden säteily, valosähköinen vaikutus, atomispektrit) tutkimukset johtivat siihen johtopäätökseen, että energiaa ei säteile ja absorboi jatkuvasti, vaan diskreetti erillisinä osina (kvanteina). Energian kvantisointioletuksen teki ensimmäisenä 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 luonne ei ole luontaista 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 elektronidiffraktion, 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 . Tällä tavalla, 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, katoaa sinne, missä elektronia ei ole.

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-, magneetti- ja spin. Kolme ensimmäistä kuvaavat elektronin liikettä avaruudessa ja neljäs - oman akselinsa ympäri.

Kvanttilukun – pää . 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 etäisyyden päässä 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 alitasolla, energiaalatasojen lukumäärän. Ottaa arvot 0:sta 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).

Klassisen fysiikan käsitteiden mukaan valo on sähkömagneettisia aaltoja tietyllä taajuusalueella. Valon vuorovaikutus aineen kanssa tapahtuu kuitenkin ikään kuin valo olisi hiukkasvirta.

Newtonin aikana oli kaksi hypoteesia valon luonteesta - corpuscular, jota Newton noudatti, ja Aalto. Kokeellisen tekniikan ja teorian jatkokehitys teki valinnan aaltoteoria .

Mutta XX vuosisadan alussa. uusia ongelmia ilmaantui: valon vuorovaikutusta aineen kanssa ei voitu selittää puitteissa aaltoteoria.

Kun metallipala valaistaan ​​valolla, siitä lentää elektroneja ( valosähköinen ilmiö). Oli odotettavissa, että emittoivien elektronien nopeus (niiden kineettinen energia) olisi mitä suurempi, mitä suurempi on tulevan aallon energia (valon intensiteetti), mutta kävi ilmi, että elektronien nopeus ei yleensä riipu valon voimakkuudesta, mutta sen määrää sen taajuus (väri) .

Valokuvaus perustuu siihen, että jotkin materiaalit tummuvat valolla valaistuksen ja sitä seuraavan kemiallisen käsittelyn jälkeen ja niiden mustennuksen aste on verrannollinen valaistukseen ja valaistusaikaan. Jos kerros tällaista materiaalia (valokuvalevy) valaistaan ​​valolla tietyllä taajuudella, homogeeninen pinta muuttuu kehityksen jälkeen mustaksi. Valon intensiteetin pienentyessä saamme tasalaatuisia pintoja, joissa on yhä vähemmän tummumista (eri harmaan sävyjä). Ja kaikki päättyy siihen, että erittäin alhaisella valaistuksella emme saa pinnan mustumista kovinkaan vähän, vaan mustia pisteitä satunnaisesti hajallaan pinnalle! Ikään kuin valo osuisi vain näihin paikkoihin.

Valon ja aineen vuorovaikutuksen piirteet pakottivat fyysikot palaamaan korpuskulaarinen teoria.

Valon vuorovaikutus aineen kanssa tapahtuu ikään kuin valo olisi hiukkasvirta, energiaa ja pulssi jotka liittyvät valon taajuuteen suhteilla

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

missä h on Planckin vakio. Näitä hiukkasia kutsutaan fotonit.

valosähköinen ilmiö voitaisiin ymmärtää, jos ottaa näkökulman korpuskulaarinen teoria ja pitää valoa hiukkasvirtana. Mutta sitten syntyy ongelma, mitä tehdä valon muille ominaisuuksille, joita on käsitelty laajassa fysiikan haarassa - optiikka perustuu siihen tosiasiaan, että valo on sähkömagneettista aaltoa.

Tilannetta, jossa yksittäisiä ilmiöitä selitetään erityisillä olettamuksilla, jotka ovat ristiriidassa keskenään tai jopa ristiriidassa keskenään, ei voida hyväksyä, koska fysiikka väittää luovansa yhtenäisen kuvan maailmasta. Ja tämän väitteen pätevyyden vahvistus oli vain se tosiasia, että vähän ennen valosähköisen vaikutuksen yhteydessä syntyneitä vaikeuksia optiikka pelkistettiin sähködynamiikkaan. Ilmiöitä häiriötä ja diffraktio ei todellakaan ollut samaa mieltä hiukkasten kanssa, mutta jotkin valon ominaisuudet ovat yhtä hyvin selitettävissä molemmista näkökulmista. Sähkömagneettisella aallolla on energiaa ja liikemäärä, ja liikemäärä on verrannollinen energiaan. Kun valo imeytyy, se siirtää vauhtiaan, eli esteeseen vaikuttaa valon voimakkuuteen verrannollinen painevoima. Hiukkasten virtaus kohdistaa myös painetta esteeseen, ja sopivalla suhteella hiukkasen energian ja liikemäärän välillä paine on verrannollinen virtauksen intensiteettiin. Teorian tärkeä saavutus oli valon sironnan selitys ilmassa, jonka seurauksena kävi selväksi erityisesti, miksi taivas on sininen. Se seurasi teoriasta, että valon taajuus ei muutu sironnan aikana.

Kuitenkin, jos ottaa näkökulman korpuskulaarinen teoria ja katsoa, ​​että valon ominaisuus, joka aaltoteoriassa liittyy taajuuteen (väriin), korpuskulaarisessa teoriassa liittyy hiukkasen energiaan, käy ilmi, että sironnan aikana (fotonin törmäys siroavan hiukkasen kanssa) , sironneen fotonin energian pitäisi laskea . Erityisesti tehdyt kokeet röntgensäteiden sironnasta, jotka vastaavat hiukkasia, joiden energia on kolme suuruusluokkaa suurempi kuin näkyvän valon, osoittivat, että korpuskulaarinen teoria totta. Valoa tulee pitää hiukkasvirtana, ja interferenssin ja diffraktion ilmiöt selitettiin kvanttiteorian puitteissa. Mutta samaan aikaan myös käsitys hiukkasesta häviävän pienikokoisena esineenä, joka liikkuu tiettyä liikerataa pitkin ja jolla on tietty nopeus jokaisessa pisteessä, on myös muuttunut.

Uusi teoria ei kumoa vanhan oikeita tuloksia, mutta voi muuttaa niiden tulkintaa. Joten jos sisään aaltoteoria Väri liittyy aallonpituuteen corpuscular se liittyy vastaavan hiukkasen energiaan: silmässämme punaisen tunteen aiheuttavilla fotoneilla on vähemmän energiaa kuin sinisellä. materiaalia sivustolta

Valon osalta suoritettiin koe elektroneilla (Yung-han kokemus). Näytön valaistus rakojen takana oli saman muotoinen kuin elektronien ja tämä kuva valon häiriö, kahdesta raosta näytölle putoaminen toimi todisteena valon aaltoluonteesta.

Ongelma liittyy hiukkasten aalto- ja korpuskulaariset ominaisuudet on todella pitkä historia. Newton uskoi, että valo on hiukkasten virta. Mutta samaan aikaan liikkeellä oli hypoteesi valon aaltoluonteesta, joka liittyy erityisesti Huygensin nimeen. Tuolloin olemassa olleet tiedot valon käyttäytymisestä (suoraviivainen eteneminen, heijastus, taittuminen ja dispersio) selitettiin yhtä hyvin molemmista näkökulmista. Tässä tapauksessa valoaaltojen tai hiukkasten luonteesta ei tietenkään voitu sanoa mitään varmaa.

Myöhemmin kuitenkin ilmiöiden havaitsemisen jälkeen häiriötä ja diffraktio valossa (1800-luvun alussa), newtonilainen hypoteesi hylättiin. Valon "aalto tai hiukkanen" dilemma ratkaistiin kokeellisesti aallon hyväksi, vaikka valoaaltojen luonne jäikin epäselväksi. Lisäksi niiden luonne kävi selväksi. Valoaallot osoittautuivat tiettyjen taajuuksien sähkömagneettisiksi aalloksi, eli sähkömagneettisen kentän häiriöiden etenemistä. Aaltoteoria näytti lopulta voittavan.

Tällä sivulla materiaalia aiheista:

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 yhden korpuskkelin vaikutus siirtyy toiseen.

Huygensin kannattajat ilmaisivat mielipiteen, että valo on etenevä värähtely erityisessä väliaineessa - "eetterissä", joka täyttää koko maailmantilan ja joka tunkeutuu vapaasti kaikkiin kehoihin. Valonlähteestä tuleva 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 esittämän 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. Siten Poissonin tekemä johtopäätös, joka oli ulkoisesti ristiriidassa Fresnelin teorian kanssa, muuttui Aragon kokeen avulla yhdeksi sen pätevyyden todisteeksi 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 sähkömagneettisista aalloista, joilla on eri aallonpituus ja taitekerroin riippuu aallonpituudesta. Lyhyimmän aallonpituuden omaavan 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 sinkkilevyä, joka oli kytketty sähkömetrin sauvaan. 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, valosähköilmiön punaisen rajan olemassaoloa, valoelektronien kineettisen energian suhteellisuutta valon taajuuteen.

Maxwellin sähkömagneettinen teoria ja Lorentzin elektroniikkateoria olivat valtavasta menestyksestään huolimatta jossain määrin 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, kuten valon interferenssi, diffraktio ja polarisaatio, selitetään hyvin 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. Tällä tavalla, 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, olemassaolosta riippumatta?

1. tietoisuus

2. näyttö

3. asia

Valon aalto- ja korpuskulaariset ominaisuudet - sivu №1/1

VALON AALTO- JA RAKESTO-OMINAISUUDET

© Moiseev B.M., 2004

Kostroman osavaltion yliopisto
1 Maya Street, 14, Kostroma, 156001, Venäjä
Sähköposti: [sähköposti suojattu] ; [sähköposti suojattu]

Mahdollisuus pitää valoa fyysisen tyhjiön viritysten jaksollisena sarjana johdetaan loogisesti. Tämän lähestymistavan seurauksena selitetään valon aallon fyysinen luonne ja korpuskulaariset ominaisuudet.

Looginen johtopäätös mahdollisuudesta pitää valoa fyysisten tyhjiöherätteiden jaksojaksona esitetään artikkelissa. Tällaisen lähestymistavan seurauksena tässä selitetään aallon fyysinen luonne ja valon korpuskulaariset ominaisuudet.

Johdanto

Vuosisatoja vanhat yritykset ymmärtää valoilmiöiden fyysistä luonnetta keskeytettiin 1900-luvun alussa, kun aineen kaksoisominaisuudet tuotiin teorian aksiomatiikkaan. Valoa alettiin pitää samanaikaisesti sekä aaltona että hiukkasena. Säteilykvanttimalli rakennettiin kuitenkin muodollisesti, eikä säteilykvantin fysikaalisesta luonteesta ole vielä yksiselitteistä ymmärrystä.

Tämä työ on omistettu valon fysikaalisesta luonteesta uusien teoreettisten ideoiden muodostamiselle, joiden pitäisi selittää laadullisesti valon aalto- ja korpuskulaariset ominaisuudet. Aiemmin on julkaistu kehitetyn mallin pääsäännökset ja tämän mallin puitteissa saadut tulokset:

1. Fotoni on joukko tyhjiön alkeisviritteitä, jotka etenevät avaruudessa viritysketjun muodossa, jonka vakio on suhteessa tyhjiön nopeuteen valonlähteen nopeudesta riippumatta. Havainnoijalle fotonin nopeus riippuu havainnoijan nopeudesta suhteessa tyhjiöön, mallinnettuna loogisesti absoluuttiseksi avaruudeksi.

2. Alkuperäinen tyhjiöviritys on fotonipari, dipoli, joka muodostuu kahdesta (+) ja (-) varautuneesta hiukkasesta. Dipolit pyörivät ja niillä on kulmamomentti muodostaen yhdessä fotonin spinin. Fotonien pyörimissäde ja kulmanopeus liittyvät riippuvuuteen Rω = const .

3. Fotoneja voidaan pitää ohuina pitkinä sylinterimäisinä neulavoina. Sylinterien-neulojen kuvitteelliset pinnat muodostuvat fotonien spiraalimaisista liikeradoista. Mitä korkeampi pyörimistaajuus, sitä ohuempi on fotonineula. Yksi fotoniparin täydellinen kierros määrittää aallonpituuden avaruudessa liikkeen suunnassa.

4. Fotonin energia määräytyy fotoniparien lukumäärästä n yhdessä fotonissa: ε = nh E, missä h E on arvo, joka on yhtä suuri kuin Planckin vakio energiayksiköissä .

5. Saadaan fotonin spinin ћ kvantitatiivinen arvo. Fotonin energian ja kinemaattisten parametrien välistä suhdetta on analysoitu. Esimerkkinä lasketaan vetyatomin 3d2p-siirtymän tuottaman fotonin kinemaattiset parametrit. Fotonin pituus spektrin näkyvässä osassa on metriä.

6. Fotoniparin massa laskettiin m 0 = 1,474 10 -53 g, mikä osuu suuruusjärjestyksessä yhteen fotonimassan m  ylemmän arvion kanssa.

7. Tehtiin johtopäätös vakioiden C ja h muutoksesta fotonin liikkuessa gravitaatiokentässä.

Fotonin jaksollisen rakenteen perusteella valon aaltoominaisuuksien syy on intuitiivisesti selvä: aallon matematiikka fysikaalisen väliaineen mekaanisen värähtelyn prosessina ja minkä tahansa laadullisen jaksollisen prosessin matematiikka osuvat yhteen. . Artikkelit antavat kvalitatiivisen selityksen valon aalto- ja korpuskulaarisista ominaisuuksista. Tämä artikkeli jatkaa valon fysikaalista luonnetta koskevien ajatusten kehittämistä.

Valon aaltoominaisuudet

Kuten aiemmin todettiin, valon fysikaaliseen luonteeseen liittyvät jaksollisuuden elementit aiheuttavat aaltoominaisuuksien ilmentymistä. Valon aaltoominaisuuksien ilmentymä on osoitettu lukuisilla havainnoilla ja kokeilla, joten sitä ei voida epäillä. Doppler-ilmiöstä, interferenssistä, diffraktiosta, polarisaatiosta, dispersiosta, absorptiosta ja valon sironnasta on kehitetty matemaattinen aaltoteoria. Valon aaltoteoria liittyy orgaanisesti geometriseen optiikkaan: rajassa, kuten  → 0, optiikan lait voidaan muotoilla geometrian kielellä.

Mallimme ei kumoa aaltomallin matemaattista laitteistoa. Työmme päätavoite ja päätulos on sellaisten muutosten tuominen teorian aksiomatiikkaan, jotka syventävät ymmärrystä ilmiön fysikaalisesta olemuksesta ja poistavat paradokseja.

Nykyaikaisten valokäsitteiden pääparadoksina on aaltohiukkasten kaksinaisuus (CWD). Formaalisen logiikan lakien mukaan valo ei voi olla sekä aalto että hiukkanen näiden termien perinteisessä merkityksessä. Aallon käsite tarkoittaa jatkumoa, homogeenista väliainetta, jossa jatkumon elementtien jaksoittaisia ​​häiriöitä syntyy. Hiukkasen käsite merkitsee yksittäisten elementtien eristäytymistä ja autonomiaa. HPC:n fyysinen tulkinta ei ole niin yksinkertainen.

Korpuskulaaristen ja aaltomallien yhdistäminen periaatteen "aalto on hiukkasjoukon häiriö" mukaan herättää vastalauseen, koska aalto-ominaisuuksien läsnäolo yhdessä yksittäisessä valohiukkasessa katsotaan vakaasti vakiintuneeksi. Harvoin lentävien fotonien häiriön havaitsi Janoshi, mutta kokeen kvantitatiivisia tuloksia, yksityiskohtia ja yksityiskohtaista analyysia ei koulutuskurssilla ole. Tietoa tällaisista tärkeistä, perustavanlaatuisista tuloksista ei ole saatavilla hakuteoksissa eikä fysiikan historian kurssilla. Ilmeisesti kysymys valon fyysisestä luonteesta on jo syvällä tieteen takana.

Yritetään rekonstruoida Yanoshin kokeen kvantitatiiviset parametrit, jotka ovat loogisesti olennaisia ​​tulosten tulkinnassa, käyttämällä niukkaa kuvausta vastaavista Bibermanin, Sushkinin ja Fabrikantin elektroneista kokeista. Ilmeisesti Yanoshin kokeessa korkean intensiteetin lyhyestä valopulssista saatua interferenssikuviota verrattiin kuvioon, joka saatiin pitkän ajan kuluessa heikosta fotonivirrasta J M. Olennainen ero näiden kahden tarkasteltavan tilanteen välillä on se, että Jos kyseessä on virtaus JM, fotonien vuorovaikutus diffraktiivisessa instrumentissa tulisi sulkea pois.

Koska Janoshi ei löytänyt eroa häiriökuvioissa, katsotaanpa, mitä ehtoja tähän tarvitaan mallimme puitteissa.

Fotoni, jonka pituus on L f = 4,5 m, ohittaa tietyn pisteen avaruudessa ajassa τ = L f / C = 4,5 /3-10 8 ≈ 1,5-10 –8 s. Jos diffraktiojärjestelmän (instrumentin) koko on noin 1 m, niin laitteen läpikulkuaika fotonilla, jonka pituus on L f, on pidempi: τ' = (L f + 1) / C ≈ 1,8-10 –8 s.

Ulkopuolinen tarkkailija ei voi nähdä yksittäisiä fotoneja. Yritys kiinnittää fotoni tuhoaa sen - ei ole muuta vaihtoehtoa "nähdä" sähköisesti neutraalia valohiukkasta. Kokeessa käytetään valon aikakeskiarvoisia ominaisuuksia, erityisesti intensiteettiä (energiaa aikayksikköä kohti). Jotta fotonit eivät leikkaa diffraktiolaitteen sisällä, ne on erotettava avaruudessa liikeradalla siten, että laitteen kulkuaika τ' on pienempi kuin aika t, joka jakaa peräkkäisten fotonien saapumisen asennukseen. , eli τ' 1,8-10 -8 s.

Elektronikokeissa keskimääräinen aikaväli kahden peräkkäin diffraktiojärjestelmän läpi kulkevan hiukkasen välillä oli noin 3-10 4 kertaa pidempi kuin aika, jonka yksi elektroni kului kulkeakseen koko laitteen läpi. Pistehiukkasten osalta tämä suhde on vakuuttava.

Valokokeella on merkittävä ero elektronikokeeseen verrattuna. Jos elektronien ainutlaatuisuutta voidaan hallita niiden energian lievän vääristymisen vuoksi, tämä on mahdotonta fotoneilla. Fotoneilla tehdyssä kokeessa usko fotonien eristäytymiseen avaruudessa ei voi olla täydellinen; on tilastollisesti mahdollista, että kaksi fotonia saapuu lähes samanaikaisesti. Tämä voi antaa heikon häiriökuvion pitkän havaintoajan aikana.

Yanoshin kokeiden tulokset ovat kiistattomia, mutta tällaista johtopäätöstä ei voida tehdä kokemusteoriasta. Teoriassa itse asiassa oletetaan, että interferenssikuvio syntyy yksinomaan näytön pinnalla olevien hiukkasten vuorovaikutuksen seurauksena. Voimakkaiden valovirtojen ja monien hiukkasten ollessa kyseessä tämä on intuitiivisesti todennäköisin häiriön aiheuttaja, mutta heikkojen valovirtojen kohdalla toinen syy näytön valaistuksen jaksoittaisuuden esiintymiseen voi myös tulla merkittäväksi. Valo muuttaa suuntaa, kun se on vuorovaikutuksessa kiinteän kappaleen kanssa. Raot, diffraktiohilan vedot ja muut diffraktiota aiheuttavat esteet - tämä pinta on kaukana ihanteellisesta, ei pelkästään pinnan viimeistelyn suhteen. Pintakerroksen atomit ovat jaksollinen rakenne, jonka jakso on verrattavissa atomin kokoon, eli jaksollisuus on angstrom-luokkaa. Fotonin sisällä olevien fotoniparien välinen etäisyys on L 0 ≈ 10 –12 cm, mikä on 4 suuruusluokkaa pienempi. Valokuvaparien heijastuminen pinnan jaksollisesta rakenteesta saa aikaan valaistujen ja valaisemattomien paikkojen toiston näytöllä.

Epätasa-arvo heijastuneen valon etenemissuunnissa tulee aina olla miltä tahansa pinnalta heijastuessaan, mutta voimakkailla valovirroilla, vain keskimääräiset ominaisuudet ovat merkittäviä, eikä tätä vaikutusta esiinny. Heikoilla valovirroilla tämä voi johtaa näytön valaistukseen, joka muistuttaa häiriötä.

Koska elektronin mitat ovat myös paljon pienempiä kuin kehon pinnan jaksollisen rakenteen mitat, elektronien kohdalla pitäisi myös esiintyä epätasa-arvoa taipuvien hiukkasten suunnissa, ja heikoille elektronivirroille tämä voi olla ainoa syy aallon ominaisuuksien ilmentämiseksi.

Siten aaltoominaisuuksien esiintyminen hiukkasissa, olivatpa ne fotoneja tai elektroneja, voidaan selittää diffraktiivisen instrumentin heijastavan tai taittavan pinnan aaltoominaisuuksien läsnäololla.

Tämän hypoteesin mahdollista kokeellista vahvistusta (tai kumoamista varten) varten voidaan ennustaa joitain vaikutuksia.

Vaikutus 1

Voimakkailla valovirroilla tärkein syy valon interferenssiominaisuuksiin on itse valon jaksollinen rakenne, laajennettu fotoni. Eri fotoneista peräisin olevat fotoniparit joko vahvistavat toisiaan näytöllä vaiheen osuessa yhteen (vektorit r vuorovaikutuksessa olevien parien fotonien keskipisteiden välillä osuu suuntaisesti) tai heikkenee vaiheepäsopivuuden tapauksessa (vektorit r valokuvien keskikohtien välinen suunta ei ole sama). Jälkimmäisessä tapauksessa valokuvaparit eri fotoneista eivät aiheuta yhteistä samanaikaista toimintaa, vaan ne putoavat niihin näytön osiin, joissa havaitaan valaistuksen heikkenemistä.

Jos näyttö on läpinäkyvä levy, voidaan havaita seuraava vaikutus: heijastuneen valon minimi vastaa läpäisevän valon maksimia. Paikoissa, joissa heijastuneessa valossa havaitaan minimaalista valaistusta, valo tulee myös sisään, mutta se ei heijastu näissä paikoissa, vaan kulkee levyn sisällä.

Levyn läpi heijastuneen ja läpäisevän valon keskinäinen täydentävyys häiriöilmiössä on hyvin tunnettu tosiasia, jota teoriassa kuvailee valon aaltomallin hyvin kehittynyt muodollinen matemaattinen laite. Erityisesti teoria esittelee puoliaallon häviön heijastuksen aikana, ja tämä "selittää" vaihe-eron lähetettyjen ja heijastuneiden komponenttien välillä.

Uutta mallissamme on tämän ilmiön fysikaalisen luonteen selitys. Väitetään, että heikoilla valovirroilla, kun fotonien vuorovaikutus diffraktiolaitteessa on poissuljettu, häiriökuvion muodostumisen olennainen syy ei ole itse valon jaksollinen rakenne, vaan valon pinnan jaksollinen rakenne. diffraktiota aiheuttava laite. Tällöin näytön pinnalla ei enää tapahdu eri fotoneista peräisin olevien fotoniparien vuorovaikutusta, ja häiriön pitäisi ilmetä siinä, että niissä paikoissa, joihin valo osuu, on maksimaalinen valaistus, muissa paikoissa sitä ei ole. Paikoissa, joissa valaistus on vähäinen, valo ei pääse ollenkaan, ja tämä voidaan tarkistaa heijastuneen ja läpäisevän valon häiriökuvion keskinäisen täydentävyyden puuttuminen.

Vaikutus 2

Toinen mahdollisuus testata tarkasteltavaa ennustetta ja hypoteesiamme kokonaisuudessaan on se heikkoja valovirtoja varten toisesta materiaalista valmistettu diffraktiolaite, joka eroaa atomien erilaisella pintatiheydellä, pitäisi antaa erilainen häiriökuvio samalle valoteholle. Tämä ennuste on myös periaatteessa todennettavissa.

Vaikutus 3

Heijastavan kappaleen pinnan atomit osallistuvat lämpöliikkeeseen, kidehilan solmut suorittavat harmonisia värähtelyjä. Kiteen lämpötilan nousun tulisi johtaa häiriökuvion hämärtymiseen heikkojen valovirtojen tapauksessa, koska tässä tapauksessa häiriö riippuu vain heijastavan pinnan jaksollisesta rakenteesta. Voimakkailla valovirroilla diffraktiolaitteen lämpötilan vaikutuksen interferenssikuvioon tulisi olla heikompi, vaikka se ei ole poissuljettua, koska kidehilapaikkojen lämpövärähtelyjen tulisi rikkoa eri fotoneista heijastuneiden fotoniparien koherenssiehtoa. . Tämä ennuste on myös periaatteessa todennettavissa.

Valon korpuskulaariset ominaisuudet

Olemme julkaisuissamme ehdottaneet termiä "fotonin rakennemalli". Analysoitaessa nykyään lainausmerkeissä olevaa sanayhdistelmää, on välttämätöntä tunnustaa se erittäin epäonnistuneeksi. Asia on siinä, että mallissamme fotonia paikallisena hiukkasena ei ole olemassa. Säteilyenergian kvantti, joka modernissa teoriassa tunnistetaan fotonille, on mallissamme joukko tyhjiöherätteitä, joita kutsutaan fotonipareiksi. Herätykset jakautuvat avaruuteen liikesuunnan mukaan. Huolimatta mikromaailman mittakaavan valtavasta laajuudesta, johtuen aikavälin pienuudesta, jonka aikana tällainen parien joukko lentää minkä tahansa mikroobjektin ohi tai törmää siihen, ja myös mikromaailman objektien suhteellisesta inertiasta, kvantit. nämä mikroesineet voivat imeytyä täysin. Kvanttifotoni nähdään erillisenä hiukkasena vain sellaisessa vuorovaikutuksessa mikroobjektien kanssa, kun mikroobjektin vuorovaikutuksesta kunkin fotoniparin kanssa saatava vaikutus voidaan kumuloitua esimerkiksi virityksen muodossa. atomin tai molekyylin elektronikuori. Valolla ilmenee korpuskulaarisia ominaisuuksia tällaisen vuorovaikutuksen aikana, kun olennainen, mallitietoinen, teoreettisesti huomioitu tekijä on tietyn erillisen valoenergiamäärän emissio tai absorptio.

Jopa muodollinen idea energiakvanteista antoi Planckille mahdollisuuden selittää mustan kappaleen säteilyn piirteet ja Einsteinin ymmärtää valosähköisen vaikutuksen olemuksen. Energian erillisten osien käsite auttoi kuvailemaan uudella tavalla sellaisia ​​fysikaalisia ilmiöitä kuin valonpaine, valon heijastus, dispersio - mitä on jo kuvattu aaltomallin kielellä. Ajatus energian diskreettisuudesta, ei ajatus pistehiukkasista-fotoneista, on todella olennainen nykyaikaisessa valon korpuskulaarisessa mallissa. Energiakvantin diskreetti mahdollistaa atomien ja molekyylien spektrien selittämisen, mutta kvantin energian sijainti yhteen eristettyyn hiukkaseen on ristiriidassa sen kokeellisen tosiasian kanssa, että energiakvantin emissio- ja absorptioaika atomilla on melko suuri mikromaailman mittakaavassa - noin 10-8 s. Jos kvantti on paikallinen pistehiukkanen, niin mitä tälle hiukkaselle tapahtuu 10–8 sekunnissa? Laajennetun kvanttifotonin lisääminen valon fysikaaliseen malliin mahdollistaa kvalitatiivisen ymmärtämisen emissio- ja absorptioprosessien lisäksi myös säteilyn korpuskulaariset ominaisuudet yleensä.

Valokuvien kvantitatiiviset parametrit

Mallissamme pääkohteena on pari valokuvaa. Fotonin mittoihin (näkyvän valon pituusmitat ovat metrejä) verrattuna fotoniparin muodossa tapahtuvaa tyhjiön viritystä voidaan pitää pistemäisenä (pituusmitta on noin 10-14 m) . Lasketaanpa joitain valokuvaparametreja. Tiedetään, että y-kvantit syntyvät elektronin ja positronin tuhoutuessa. Syntykööt kaksi γ-kvanttia. Arvioidaan niiden kvantitatiivisten parametrien yläraja olettaen, että elektronin ja positroni energia on yhtä suuri kuin näiden hiukkasten lepoenergia:

. (1)

Näkyviin tulevien valokuvaparien määrä on:

. (2)

Kaikkien (–) fotonien kokonaisvaraus on –e, missä e on elektronin varaus. Kaikkien (+) fotonien kokonaisvaraus on +e. Lasketaan yhden valokuvan kantaman varauksen moduuli:

Cl. (3)

Suunnilleen, ottamatta huomioon liikkuvien varausten dynaamista vuorovaikutusta, voimme olettaa, että pyörivän fotoniparin keskipitkävoima on niiden sähköstaattisen vuorovaikutuksen voima. Koska pyörivien varausten lineaarinen nopeus on yhtä suuri kuin C, saamme (SI-järjestelmässä):

, (4)

missä m 0 / 2 \u003d h E / C 2 - yhden valokuvan massa. Kohdasta (4) saadaan lauseke fotonivarauskeskusten pyörimissäteelle:

m. (5)

Kun otetaan huomioon fotonin "sähköinen" poikkileikkaus säde R El:n ympyrän S pinta-alana, saadaan:

Paperi tarjoaa kaavan fotonin poikkileikkauksen laskemiseksi QED:n puitteissa:

, (7)

jossa σ mitataan cm2. Olettaen ω = 2πν ja ν = n (ulottamatta mittaa), saamme poikkileikkauksen arvion QED-menetelmällä:

. (8)

Ero fotonien poikkileikkausarvioihimme on 6 suuruusluokkaa eli noin 9 %. Samalla on huomioitava, että tuloksemme fotonin poikkileikkaukselle ~10 -65 cm 2 saatiin ylemmäksi arvioksi liikkumattomien hiukkasten tuhoutumisesta, kun taas todellisella elektronilla ja positronilla on liikeenergia. Kineettinen energia huomioon ottaen poikkileikkauksen tulisi olla pienempi, koska kaavassa (1) säteilyyn siirtyvien hiukkasten energia on suurempi, ja sen seurauksena fotoniparien lukumäärä on suurempi. Yhden valokuvan varauksen laskennallinen arvo on pienempi (kaava 3), joten R El (kaava 5) ja poikkileikkaus S (kaava 6) ovat pienempiä. Tätä silmällä pitäen arviomme fotonien poikkileikkauksesta tulisi tunnistaa suunnilleen samansuuntaiseksi QED-estimaatin kanssa.

Huomaa, että foton ominaisvaraus on sama kuin elektronin (positronin) ominaisvaraus:

. (9)

Jos valolla (kuten elektronilla) on hypoteettinen "ydin", johon sen varaus on keskittynyt, ja "turkki" häiriintyneestä fysikaalisesta tyhjiöstä, fotoniparin "sähköinen" poikkileikkaus ei saa olla sama kuin "mekaaninen" poikkileikkaus. Pyörivät fotonien massakeskukset säde R Mex ympyrän ympäri nopeudella C. Koska C = ωR Mex, saadaan:

. (10)

Siten ympyrän pituus, jota pitkin massakeskipisteet pyörivät, on yhtä suuri kuin aallonpituus, mikä on aivan luonnollista, kun translaatio- ja pyörimisnopeudet ovat yhtä suuret tulkinnassamme "aallonpituuden" käsitteestä. Mutta tässä tapauksessa käy ilmi, että yllä mainitun tuhoamisen tuloksena saaduille fotoneille R Mex ≈ 3,8∙10 –13 m ≈ 10 22 ∙R El. Fotonien ytimiä ympäröivällä häiriintyneen tyhjiön turkilla on jättimäiset mitat itse ytimeen verrattuna.

Tietenkin nämä ovat kaikki melko karkeita arvioita. Mikään uusi malli ei voi kilpailla tarkkuudessa jo olemassa olevan mallin kanssa, joka on saavuttanut aamunkoittoonsa. Esimerkiksi Kopernikuksen heliosentrinen mallin ilmestyessä noin 70 vuoden ajan suoritettiin käytännön tähtitieteellisiä laskelmia Ptolemaioksen geosentrinen mallin mukaisesti, koska tämä johti tarkempaan tulokseen.

Pohjimmiltaan uusien mallien tuominen tieteeseen ei ole vain törmäys subjektiiviseen oppositioon, vaan myös laskelmien ja ennusteiden tarkkuuden objektiivinen menetys. Myös paradoksaaliset tulokset ovat mahdollisia. Tuloksena oleva ~10 22 kertalukusuhde fotonien sähköisten ja mekaanisten pyörimissäteiden välillä ei ole vain odottamaton, vaan myös fyysisesti käsittämätön. Ainoa tapa jollain tavalla ymmärtää saatu suhde on olettaa, että fotoniparin pyörimisellä on pyörteinen luonne, koska tässä tapauksessa, jos eri etäisyyksillä pyörimiskeskipisteestä olevien komponenttien lineaariset nopeudet ovat yhtä suuret, niiden kulmanopeudet pitäisi olla erilainen.

Intuitiivisesti kolmiulotteisen rakenteen pyörimisen pyörteinen luonne ohuesta väliaineesta - fysikaalisesta tyhjiöstä on jopa ymmärrettävämpää kuin ajatus fotoniparin pyörimisestä, joka muistuttaa kiinteän kappaleen pyörimistä. Pyörteen liikkeen analyysin pitäisi edelleen johtaa tarkasteltavan prosessin uuteen laadulliseen ymmärtämiseen.

Tulokset ja johtopäätökset

Työ jatkaa ajatusten kehittämistä valon fysikaalisesta luonteesta. Korpuskulaaristen aaltojen dualismin fyysistä luonnetta analysoidaan. Pohjimmiltaan todennettavissa olevia vaikutuksia ennustetaan heikkojen valovirtojen interferenssiä ja diffraktiota koskevissa kokeissa. Fotonien mekaanisista ja sähköisistä parametreista on tehty kvantitatiivisia laskelmia. Lasketaan fotoniparin poikkileikkaus ja tehdään johtopäätös parin pyörrerakenteesta.

Kirjallisuus

1. Moiseev B.M. Fotonirakenne. - Dep. VINITI:ssä 12.02.98, nro 445 - B98.

2. Moiseev B.M. Massa ja energia fotonin rakennemallissa. - Dep. VINITIssä 01.04.98, nro 964 - B98.

3. Moiseev B.M. Liiketilassa olevan kehon kokonaisenergiasta ja -massasta. - Dep. VINITI:ssä 12.05.98, nro 1436 - B98.

4. Moiseev B.M. Fotoni gravitaatiokentässä. - Dep. VINITIssä 27.10.99, nro 3171 - B99.

5. Moiseev B.M. Fotonin rakenteen mallintaminen. - Kostroma: KSU:n kustantamo im. PÄÄLLÄ. Nekrasova, 2001.

5. Moiseev B.M. Fotonimikrorakenne // Proceedings of the Congress-2002 “Luonnontieteen ja tekniikan perusongelmat”, osa III, s. 229–251. - Pietari, Pietarin valtionyliopiston kustantamo, 2003.

7 Phys. Rev. Lett. 90 081 801 (2003). http://prl.aps.org

8. Sivukhin D.V. Atomi- ja ydinfysiikka. 2 tunnissa Osa 1. Atomifysiikka. – M.: Nauka, 1986.

9. Fyysinen tietosanakirja. Viidessä osassa - M .: Neuvostoliiton tietosanakirja, 1960-66.

10. Fysiikka. Suuri tietosanakirja. - M .: Suuri venäläinen tietosanakirja, 1999.

11. Kudrjavtsev P.S. Fysiikan historian kurssi. - M .: Koulutus, 1974.

12. Akhiezer A.I. Kvanttielektrodynamiikka / A.I. Akhiezer, V.V. Berestetsky - M .: Nauka, 1981.