ატომში ელექტრონების მდგომარეობის მახასიათებელი ემყარება კვანტური მექანიკის პოზიციას ელექტრონის ორმაგი ბუნების შესახებ, რომელსაც ერთდროულად აქვს ნაწილაკისა და ტალღის თვისებები.
პირველად, სინათლისთვის შეიქმნა ორმაგი კორპუსკულური ტალღოვანი ბუნება. მთელი რიგი ფენომენების (ცხელი სხეულების გამოსხივება, ფოტოელექტრული ეფექტი, ატომური სპექტრები) შესწავლამ მიგვიყვანა დასკვნამდე, რომ ენერგია გამოიყოფა და შეიწოვება არა განუწყვეტლივ, არამედ დისკრეტულად, ცალკეულ ნაწილებში (კვანტები). ენერგიის კვანტიზაციის დაშვება პირველად გააკეთა მაქს პლანკმა (1900) და დაასაბუთა ალბერტ აინშტაინმა (1905): კვანტური ენერგია (∆E) დამოკიდებულია გამოსხივების სიხშირეზე (ν):
∆Ε = hν, სადაც h = 6.63 10 -34 J s არის პლანკის მუდმივი.
ფოტონის hν ენერგიის ტოლფასი მისი ენერგიის ჯამურ რეზერვთან mс 2 და იმის გათვალისწინებით, რომ ν=с/λ მივიღებთ მიმართებას, რომელიც გამოხატავს ფოტონის ტალღასა და კორპუსკულურ თვისებებს შორის კავშირს:
1924 წელს ლუი დე ბროლივარაუდობენ, რომ ორმაგი კორპუსკულური ტალღოვანი ბუნება თანდაყოლილია არა მხოლოდ რადიაციისთვის, არამედ ნებისმიერი მატერიალური ნაწილაკისთვის: ყოველი ნაწილაკი, რომელსაც აქვს მასა (m) და მოძრაობს სიჩქარით (υ) შეესაბამება ტალღის პროცესს ტალღის სიგრძით λ:
λ = თ / მυ(55)
რაც უფრო მცირეა ნაწილაკების მასა, მით უფრო გრძელია ტალღის სიგრძე. ამიტომ ძნელია მაკრონაწილაკების ტალღური თვისებების გამოვლენა.
1927 წელს ამერიკელმა მეცნიერებმა დევისონმა და გერმერმა, ინგლისელმა ტომსონმა და საბჭოთა მეცნიერმა ტარტაკოვსკიმ დამოუკიდებლად აღმოაჩინეს ელექტრონების დიფრაქცია, რაც იყო ელექტრონების ტალღური თვისებების ექსპერიმენტული დადასტურება. მოგვიანებით აღმოაჩინეს α-ნაწილაკების, ნეიტრონების, პროტონების, ატომების და თუნდაც მოლეკულების დიფრაქცია (ინტერფერენცია). ამჟამად ელექტრონის დიფრაქცია გამოიყენება მატერიის სტრუქტურის შესასწავლად.
ელემენტარული ნაწილაკების ტალღური თვისებები შეიცავს ტალღური მექანიკის ერთ-ერთ პრინციპს: გაურკვევლობის პრინციპი (ვ.ჰაიზენბერგი 1925): ატომური მასშტაბის მცირე სხეულებისთვის შეუძლებელია ერთდროულად ზუსტად განსაზღვროს ნაწილაკის პოზიცია სივრცეში და მისი სიჩქარე (იმპულსი). რაც უფრო ზუსტად არის განსაზღვრული ნაწილაკების კოორდინატები, მით უფრო ნაკლებად გარკვეული ხდება მისი სიჩქარე და პირიქით. გაურკვევლობის კავშირს აქვს ფორმა:
სადაც ∆x არის ნაწილაკების პოზიციის განუსაზღვრელობა, ∆R x არის იმპულსის სიდიდის ან სიჩქარის გაურკვევლობა x მიმართულებით. მსგავსი მიმართებები ასევე იწერება y და z კოორდინატებისთვის. გაურკვევლობის მიმართებაში შემავალი მნიშვნელობა ℏ ძალიან მცირეა, ამიტომ მაკრონაწილაკებისთვის, კოორდინატებისა და მომენტების მნიშვნელობებში გაურკვევლობა უმნიშვნელოა.
ამრიგად, შეუძლებელია ელექტრონის ტრაექტორიის გამოთვლა ბირთვის ველში; მისი ატომში ყოფნის ალბათობის შეფასება შესაძლებელია მხოლოდ გამოყენებით. ტალღის ფუნქცია ψ, რომელიც ცვლის ტრაექტორიის კლასიკურ ცნებას. ტალღის ფუნქცია ψ ახასიათებს ტალღის ამპლიტუდას, რომელიც დამოკიდებულია ელექტრონის კოორდინატებზე, ხოლო მისი კვადრატი ψ 2 განსაზღვრავს ელექტრონის სივრცით განაწილებას ატომში. უმარტივეს ვერსიაში, ტალღის ფუნქცია დამოკიდებულია სამ სივრცულ კოორდინატზე და შესაძლებელს ხდის ატომურ სივრცეში ელექტრონის პოვნის ალბათობის დადგენას. ორბიტალური . ამრიგად, ატომური ორბიტალი (AO) არის ატომური სივრცის რეგიონი, რომელშიც ელექტრონის პოვნის ალბათობა უდიდესია.
ტალღური ფუნქციები მიიღება ტალღური მექანიკის ფუნდამენტური მიმართების ამოხსნით - განტოლებებიშრედინგერი (1926) :
(57)
სადაც h არის პლანკის მუდმივი, არის ცვლადი, U არის ნაწილაკის პოტენციური ენერგია, E არის ნაწილაკის მთლიანი ენერგია, x, y, z, არის კოორდინატები.
ამრიგად, მიკროსისტემის ენერგიის კვანტიზაცია პირდაპირ გამომდინარეობს ტალღის განტოლების ამოხსნიდან. ტალღის ფუნქცია მთლიანად ახასიათებს ელექტრონის მდგომარეობას.
სისტემის ტალღური ფუნქცია არის სისტემის მდგომარეობის ფუნქცია, რომლის კვადრატი უდრის სივრცის თითოეულ წერტილში ელექტრონების პოვნის ალბათობის სიმკვრივეს. ის უნდა აკმაყოფილებდეს სტანდარტულ პირობებს: იყოს უწყვეტი, სასრული, ერთმნიშვნელოვანი, გაქრეს იქ, სადაც ელექტრონი არ არის.
ზუსტი ხსნარი მიიღება წყალბადის ატომისთვის ან წყალბადის მსგავსი იონებისთვის; მრავალელექტრონული სისტემებისთვის გამოიყენება სხვადასხვა მიახლოებები. ზედაპირს, რომელიც ზღუდავს ელექტრონის ან ელექტრონის სიმკვრივის პოვნის ალბათობის 90-95%-ს, საზღვარი ეწოდება. ატომურ ორბიტალს და ელექტრონის ღრუბლის სიმკვრივეს აქვთ ერთი და იგივე სასაზღვრო ზედაპირი (ფორმა) და იგივე სივრცითი ორიენტაცია. ელექტრონის ატომური ორბიტალები, მათი ენერგია და მიმართულება სივრცეში დამოკიდებულია ოთხ პარამეტრზე - კვანტური რიცხვები : მთავარი, ორბიტალური, მაგნიტური და სპინი. პირველი სამი ახასიათებს ელექტრონის მოძრაობას სივრცეში, ხოლო მეოთხე - საკუთარი ღერძის გარშემო.
კვანტური რიცხვინ – მთავარია . ის განსაზღვრავს ელექტრონის ენერგეტიკულ დონეს ატომში, დონის დაშორებას ბირთვიდან და ელექტრონული ღრუბლის ზომას. ის იღებს მთელ მნიშვნელობებს 1-დან ∞-მდე და შეესაბამება პერიოდის ნომერს. ნებისმიერი ელემენტის პერიოდული სისტემიდან, პერიოდის რაოდენობის მიხედვით, შეგიძლიათ განსაზღვროთ ატომის ენერგეტიკული დონეების რაოდენობა და რომელი ენერგიის დონეა გარე. Უფრო ნ, მით მეტია ელექტრონის ბირთვთან ურთიერთქმედების ენერგია. ზე ნ= 1 წყალბადის ატომი არის ძირითად მდგომარეობაში, ზე ნ> 1 - აღფრთოვანებული. Თუ ნ∞, მაშინ ელექტრონმა დატოვა ატომური მოცულობა. ატომი იონიზებულია.
მაგალითად, ელემენტი კადმიუმი Cd მდებარეობს მეხუთე პერიოდში, ამიტომ n=5. მის ატომში ელექტრონები განაწილებულია ხუთ ენერგეტიკულ დონეზე (n = 1, n = 2, n = 3, n = 4, n = 5); მეხუთე დონე იქნება გარე (n = 5).
ვინაიდან ელექტრონს, ტალღის თვისებებთან ერთად, აქვს მატერიალური ნაწილაკის თვისებები, მას აქვს m მასა, მოძრაობის სიჩქარე V და ბირთვიდან r დაშორებით, აქვს იმპულსის მომენტი: μ. = mVr.
კუთხოვანი იმპულსი არის ელექტრონის მეორე (ენერგიის შემდეგ) მახასიათებელი და გამოიხატება გვერდითი (აზიმუთალური, ორბიტალური) კვანტური რიცხვის მიხედვით.
ორბიტალური კვანტური რიცხვილ- განსაზღვრავს ელექტრონული ღრუბლის ფორმას (ნახ. 7), ელექტრონის ენერგიას ქვედონეზე, ენერგიის ქვედონეების რაოდენობას. იღებს მნიშვნელობებს 0-დან ნ– 1. რიცხვითი მნიშვნელობების გარდა ლაქვს ასოები. იგივე მნიშვნელობის მქონე ელექტრონები ლშექმენით ქვედონე.
თითოეულ კვანტურ დონეზე ქვედონეების რაოდენობა მკაცრად შეზღუდულია და ტოლია ფენის რაოდენობაზე. ქვედონეები, ისევე როგორც ენერგეტიკული დონეები, დანომრილია ბირთვიდან დაშორების რიგითობით (ცხრილი 26).
30.12.2015. 14:00
ბევრი, ვინც იწყებს ფიზიკის სწავლას, როგორც სკოლის წლებში, ასევე უმაღლეს სასწავლებლებში, ადრე თუ გვიან აწყდება კითხვები სინათლის შესახებ. პირველი, რაც ყველაზე მეტად არ მომწონს იმ ფიზიკაში, რაც დღეს ვიცით. ასე რომ, ეს არის ზოგიერთი კონცეფციის ინტერპრეტაცია, აბსოლუტურად მშვიდი სახის გამომეტყველებით და სხვა ფენომენებისა და ეფექტების ყურადღების გარეშე. ანუ რაღაც კანონების ან წესების დახმარებით ისინი ცდილობენ ახსნან გარკვეული ფენომენები, მაგრამ ამავე დროს ცდილობენ არ შეამჩნიონ ის ეფექტი, რომელიც ეწინააღმდეგება ამ განმარტებას. ეს უკვე ერთგვარი ინტერპრეტაციის წესია – აბა, რაღა ამას და ამას? ძვირფასო, მისმინე, ჩვენ ახლა სხვა რამეზე ვსაუბრობთ, უბრალოდ დააიგნორე. ყოველივე ამის შემდეგ, ამ კითხვის ფარგლებში, ყველაფერი სცემს? კარგი, კარგი.
შემდეგი "შროდინგერის კატა" ნებისმიერი ცოდნისთვის არის CWD (კორპუსკულური ტალღის დუალიზმი). როდესაც ფოტონის (შუქის ნაწილაკის) ან ელექტრონის მდგომარეობა შეიძლება აღიწეროს როგორც ტალღური ეფექტებით, ასევე კორპუსკულური (ნაწილაკებით). რაც შეეხება მატერიის ტალღურ თვისებებზე მითითებულ ფენომენებს, ყველაფერი მეტ-ნაკლებად ნათელია, გარდა ერთისა - საშუალებისა, რომელშიც სწორედ ეს ტალღა გადადის. მაგრამ კორპუსკულარულ თვისებებთან დაკავშირებით და განსაკუთრებით სინათლის ისეთი „ნაწილაკების“ არსებობასთან დაკავშირებით, როგორიცაა ფოტონები, მე მაქვს ბევრი ეჭვი.
საიდან იცოდნენ ადამიანებმა, რომ სინათლეს აქვს ტალღური ბუნება? კარგად, ამას ხელი შეუწყო ღია ეფექტებმა და ექსპერიმენტებმა დღის სინათლეზე. მაგალითად, ისეთი კონცეფცია, როგორიცაა სინათლის სპექტრი, (შუქის ხილული სპექტრი), სადაც, ტალღის სიგრძის და შესაბამისად, სიხშირის მიხედვით, სპექტრის ფერი იცვლება წითელიდან მეწამულამდე და შემდეგ ჩვენ ვხედავთ მას არასრულყოფილი თვალი. ყველაფერი მის უკან და მის წინ ეხება ინფრაწითელ, რადიო გამოსხივებას, ულტრაიისფერ, გამა გამოსხივებას და ა.შ.
ყურადღება მიაქციეთ ზემოთ მოცემულ სურათს, რომელიც აჩვენებს ელექტრომაგნიტური გამოსხივების სპექტრს. ელექტრომაგნიტური გამოვლინების ტალღის სიხშირიდან გამომდინარე, ეს შეიძლება იყოს როგორც გამა გამოსხივება, ასევე ხილული სინათლე და არა მხოლოდ, მაგალითად, შეიძლება იყოს რადიოტალღაც. მაგრამ რაც ყველაზე გასაკვირია ამ ყველაფერში, მხოლოდ სინათლის ხილულ სპექტრს, ასე უმნიშვნელო მთელ სიხშირის დიაპაზონში, რატომღაც, მოულოდნელად და მხოლოდ ექსკლუზიურად მას მიეწერება ნაწილაკების თვისებები - ფოტონები. რატომღაც, მხოლოდ ხილული სპექტრი ავლენს კორპუსკულურ თვისებებს. თქვენ ვერასდროს გაიგებთ რადიოტალღების კორპუსკულური თვისებების შესახებ ან თქვით გამა გამოსხივება, ეს რყევები არ ავლენს კორპუსკულურ თვისებებს. მხოლოდ ნაწილობრივ, კონცეფცია "გამა კვანტური" გამოიყენება გამა გამოსხივებაზე, მაგრამ უფრო მოგვიანებით.
და რა რეალური ფენომენები ან ეფექტები ადასტურებს კორპუსკულური თვისებების არსებობას, თუნდაც მხოლოდ სინათლის ხილულ სპექტრში? და აქ იწყება ყველაზე გასაკვირი.
ოფიციალური მეცნიერების თანახმად, სინათლის კორპუსკულური თვისებები დასტურდება ორი ცნობილი ეფექტით. ამ ეფექტების აღმოჩენისა და ახსნისთვის ნობელის პრემიები ფიზიკაში მიენიჭათ ალბერტ აინშტაინს (ფოტოეფექტი), არტურ კომპტონს (კომპოტის ეფექტი). უნდა აღინიშნოს კითხვით - რატომ არ ატარებს ფოტოეფექტს ალბერტ აინშტაინის სახელი, რადგან სწორედ მისთვის მიიღო ნობელის პრემია? და ყველაფერი ძალიან მარტივია, ეს ეფექტი აღმოაჩინა არა მან, არამედ სხვა ნიჭიერმა მეცნიერმა (ალექსანდრე ბეკერელი 1839 წ.), აინშტაინმა მხოლოდ ეფექტი ახსნა.
დავიწყოთ ფოტოეფექტით. სად არის, ფიზიკოსების აზრით, მტკიცებულება იმისა, რომ სინათლეს აქვს კორპუსკულური თვისებები?
ფოტოელექტრული ეფექტი არის ფენომენი, რომლის გამო ელექტრონები გამოიყოფა ნივთიერების მიერ სინათლის ან სხვა ელექტრომაგნიტური გამოსხივების ზემოქმედებისას. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, სინათლე შეიწოვება მატერიით და მისი ენერგია გადაეცემა ელექტრონებს, რაც იწვევს მათ მოწესრიგებულ მოძრაობას, რითაც გადაიქცევა ელექტრო ენერგიად.
სინამდვილეში, გაუგებარია, როგორ მივიდნენ ფიზიკოსები იმ დასკვნამდე, რომ ეგრეთ წოდებული ფოტონი არის ნაწილაკი, რადგან ფოტოელექტრული ეფექტის ფენომენში დადგენილია, რომ ელექტრონები გაფრინდებიან ფოტონების შესახვედრად. ეს ფაქტი იძლევა წარმოდგენას ფოტოეფექტის ფენომენის არასწორ ინტერპრეტაციაზე, რადგან ეს არის ამ ეფექტის წარმოქმნის ერთ-ერთი პირობა. მაგრამ ფიზიკოსების აზრით, ეს ეფექტი აჩვენებს, რომ ფოტონი არის ზუსტად ნაწილაკი მხოლოდ იმის გამო, რომ იგი მთლიანად შეიწოვება და ასევე იმის გამო, რომ ელექტრონების გამოყოფა არ არის დამოკიდებული დასხივების ინტენსივობაზე, არამედ მხოლოდ ფოტონის ე.წ. სწორედ ამიტომ დაიბადა სინათლის კვანტის ან კორპუსის კონცეფცია. მაგრამ აქ ყურადღება უნდა გავამახვილოთ იმაზე, თუ რა არის „ინტენსივობა“ ამ კონკრეტულ შემთხვევაში. ყოველივე ამის შემდეგ, მზის პანელები კვლავ აწარმოებენ მეტ ელექტროენერგიას ფოტოცელის ზედაპირზე დაცემის სინათლის რაოდენობის მატებით. მაგალითად, როდესაც ვსაუბრობთ ბგერის ინტენსივობაზე, ვგულისხმობთ მისი ვიბრაციების ამპლიტუდას. რაც უფრო დიდია ამპლიტუდა, მით მეტ ენერგიას ატარებს აკუსტიკური ტალღა და მეტი სიმძლავრეა საჭირო ასეთი ტალღის შესაქმნელად. სინათლის შემთხვევაში, ასეთი კონცეფცია სრულიად არ არსებობს. ფიზიკაში დღევანდელი იდეების მიხედვით, სინათლეს აქვს სიხშირე, მაგრამ არა ამპლიტუდა. რაც კიდევ ერთხელ აჩენს უამრავ კითხვას. მაგალითად, რადიოტალღას აქვს ამპლიტუდის მახასიათებლები, მაგრამ ხილულ სინათლეს, რომლის ტალღები, ვთქვათ, რადიოტალღებზე ოდნავ მოკლეა, არ აქვს ამპლიტუდა. ყოველივე ზემოთ აღწერილი მხოლოდ იმაზე მეტყველებს, რომ ისეთი კონცეფცია, როგორიც ფოტონია, რბილად რომ ვთქვათ, ბუნდოვანია და ყველა ფენომენი, რომელიც მიუთითებს მის არსებობაზე, რადგან მათი ინტერპრეტაცია არ ექვემდებარება შემოწმებას. ან ისინი უბრალოდ გამოიგონეს რაიმე ჰიპოთეზის მხარდასაჭერად, რაც დიდი ალბათობით ასეა.
რაც შეეხება კომპტონის სინათლის გაფანტვას (კომპოტონის ეფექტი), სრულიად გაუგებარია, როგორ ხდება ამ ეფექტის საფუძველზე დასკვნა, რომ სინათლე არის ნაწილაკი და არა ტალღა.
ზოგადად, ფაქტობრივად, დღეს ფიზიკას არ აქვს კონკრეტული დადასტურება იმისა, რომ ფოტონის ნაწილაკი სრულფასოვანია და პრინციპში ნაწილაკების სახით არსებობს. არის გარკვეული კვანტი, რომელიც ხასიათდება სიხშირის გრადიენტით და არა მეტი. და რაც ყველაზე საინტერესოა, ამ ფოტონის ზომები (სიგრძე) E=hv-ის მიხედვით შეიძლება იყოს რამდენიმე ათეული მიკრონიდან რამდენიმე კილომეტრამდე. და ეს ყველაფერი არავის აბნევს, როცა სიტყვა „ნაწილაკი“ ფოტონზე გამოიყენება.
მაგალითად, 100 ფემტოწამის პულსის სიგრძის ფემტოწამის ლაზერს აქვს პულსის (ფოტონის) სიგრძე 30 მიკრონი. ცნობისთვის, გამჭვირვალე კრისტალში ატომებს შორის მანძილი დაახლოებით 3 ანგსტრომია. აბა, როგორ შეუძლია ფოტონი იფრინოს ატომიდან ატომში, რომლის ღირებულება რამდენჯერმე აღემატება ამ მანძილს?
მაგრამ დღეს ფიზიკა არ ყოყმანობს მუშაობას კვანტური, ფოტონის ან ნაწილაკების კონცეფციით სინათლესთან მიმართებაში. უბრალოდ ყურადღებას არ ვაქცევთ იმ ფაქტს, რომ ის არ ჯდება სტანდარტულ მოდელში, რომელიც აღწერს მატერიას და იმ კანონებს, რომლებითაც ის არსებობს.
ძველი მეცნიერების პირველი იდეები იმის შესახებ, თუ რა არის სინათლე, ძალიან გულუბრყვილო იყო. რამდენიმე თვალსაზრისი იყო. ზოგიერთს სჯეროდა, რომ სპეციალური თხელი საცეცები გამოდის თვალებიდან და ვიზუალური შთაბეჭდილება წარმოიქმნება, როდესაც ისინი გრძნობენ საგნებს. ამ თვალსაზრისს ჰყავდა მიმდევრების დიდი რაოდენობა, რომელთა შორის იყვნენ ევკლიდე, პტოლემე და მრავალი სხვა მეცნიერი და ფილოსოფოსი. სხვები, პირიქით, თვლიდნენ, რომ სხივები გამოიყოფა მანათობელი სხეულის მიერ და, ადამიანის თვალამდე მისვლისას, ატარებს მანათობელი ობიექტის ანაბეჭდს. ეს თვალსაზრისი ჰქონდა ლუკრეციუსს, დემოკრიტეს.
ამავე დროს ევკლიდემ ჩამოაყალიბა სინათლის სწორხაზოვანი გავრცელების კანონი. ის წერდა: „თვალების მიერ გამოსხივებული სხივები სწორ გზაზე ვრცელდება“.
თუმცა, მოგვიანებით, უკვე შუა საუკუნეებში, სინათლის ბუნების ასეთი იდეა კარგავს თავის მნიშვნელობას. სულ უფრო ნაკლები მეცნიერი მიჰყვება ამ შეხედულებებს. ხოლო XVII საუკუნის დასაწყისისთვის. ეს თვალსაზრისი უკვე დავიწყებულად შეიძლება ჩაითვალოს.
მე-17 საუკუნეში, თითქმის ერთდროულად, დაიწყო ორი სრულიად განსხვავებული თეორია იმის შესახებ, თუ რა არის სინათლე და რა არის მისი ბუნება.
ამ თეორიებიდან ერთი დაკავშირებულია ნიუტონის სახელთან, მეორე კი ჰაიგენსის სახელთან.
ნიუტონი იცავდა სინათლის ეგრეთ წოდებულ კორპუსკულარულ თეორიას, რომლის მიხედვითაც სინათლე არის ნაწილაკების ნაკადი, რომელიც მოდის წყაროდან ყველა მიმართულებით (ნივთიერების გადაცემა).
ჰაიგენსის იდეების მიხედვით, სინათლე არის ტალღების ნაკადი, რომელიც ვრცელდება სპეციალურ, ჰიპოთეტურ გარემოში - ეთერში, რომელიც ავსებს მთელ სივრცეს და აღწევს ყველა სხეულში.
ორივე თეორია პარალელურად დიდი ხანია არსებობს. ვერცერთმა ვერ მოიპოვა გადამწყვეტი გამარჯვება. მხოლოდ ნიუტონის ავტორიტეტმა აიძულა მეცნიერთა უმრავლესობა მიეცეს უპირატესობა კორპუსკულარულ თეორიას. სინათლის გავრცელების კანონები, რომლებიც იმ დროს იყო ცნობილი გამოცდილებიდან, მეტ-ნაკლებად წარმატებით იყო ახსნილი ორივე თეორიით.
ტალღის თეორიამ ეს მარტივად ახსნა. ტალღები, მაგალითად, წყლის ზედაპირზე, თავისუფლად გადის ერთმანეთზე ურთიერთგავლენის გარეშე.
თუმცა, სინათლის სწორხაზოვანი გავრცელება, რაც იწვევს ობიექტების უკან მკვეთრი ჩრდილების წარმოქმნას, ძნელია ახსნას ტალღის თეორიის საფუძველზე. კორპუსკულური თეორიის მიხედვით, სინათლის სწორხაზოვანი გავრცელება უბრალოდ ინერციის კანონის შედეგია.
ასეთი განუსაზღვრელი პოზიცია სინათლის ბუნებასთან დაკავშირებით გაგრძელდა მე-19 საუკუნის დასაწყისამდე, სანამ აღმოაჩინეს სინათლის დიფრაქციის (დაბრკოლებების ირგვლივ შუქის შემოხვევა) და სინათლის ჩარევის (განათების გაძლიერება ან შესუსტება, როდესაც სინათლის სხივები ერთმანეთზე ზედ ადგებოდა) ფენომენები. . ეს ფენომენი თანდაყოლილია მხოლოდ ტალღის მოძრაობაში. მათი ახსნა კორპუსკულური თეორიის დახმარებით შეუძლებელია. ამიტომ ჩანდა, რომ ტალღის თეორიამ საბოლოო და სრული გამარჯვება მოიპოვა.
ასეთი ნდობა განსაკუთრებით გაძლიერდა, როდესაც მაქსველმა მე-19 საუკუნის მეორე ნახევარში აჩვენა, რომ სინათლე ელექტრომაგნიტური ტალღების განსაკუთრებული შემთხვევაა. მაქსველის ნაშრომმა საფუძველი ჩაუყარა სინათლის ელექტრომაგნიტურ თეორიას.
ჰერცის მიერ ელექტრომაგნიტური ტალღების ექსპერიმენტული აღმოჩენის შემდეგ, ეჭვგარეშეა, რომ სინათლე გავრცელებისას ტალღის მსგავსად იქცევა.
თუმცა, მე-19 საუკუნის ბოლოს, იდეები სინათლის ბუნების შესახებ რადიკალურად შეიცვალა. მოულოდნელად გაირკვა, რომ უარყოფილი კორპუსკულური თეორია კვლავ აქტუალურია რეალობასთან.
როდესაც გამოიყოფა და შეიწოვება, სინათლე იქცევა ნაწილაკების ნაკადად.
აღმოჩენილია სინათლის უწყვეტი, ან, როგორც ამბობენ, კვანტური თვისებები. წარმოიშვა უჩვეულო სიტუაცია: ინტერფერენციისა და დიფრაქციის ფენომენები კვლავ შეიძლება აიხსნას სინათლის ტალღად განხილვით, ხოლო გამოსხივების და შთანთქმის ფენომენები შეიძლება აიხსნას სინათლის ნაწილაკების ნაკადად განხილვით. ეს ორი ერთი შეხედვით შეუთავსებელი იდეა სინათლის ბუნების შესახებ XX საუკუნის 30-იან წლებში მოახერხა თანმიმდევრულად გაერთიანება ახალ გამორჩეულ ფიზიკურ თეორიაში - კვანტურ ელექტროდინამიკაში.
1. სინათლის ტალღური თვისებები
ტელესკოპების გაუმჯობესებით დაკავებული ნიუტონმა ყურადღება გაამახვილა იმ ფაქტზე, რომ ლინზის მიერ მოცემული გამოსახულება კიდეებზეა ფერადი. იგი დაინტერესდა ამით და იყო პირველი, ვინც "გამოიკვლია სინათლის სხივების მრავალფეროვნება და ამის შედეგად წარმოქმნილი ფერების თავისებურებანი, რაც აქამდე არავის იცოდა" (სიტყვები ნიუტონის საფლავზე წარწერიდან). ნიუტონის ძირითადი ექსპერიმენტი გენიალურად მარტივი იყო. . ნიუტონმა გამოიცნო მცირე ჯვრის მონაკვეთის სინათლის სხივი პრიზმაში გაგზავნა. მზის სხივი ჩაბნელებულ ოთახში შემოვიდა საკეტის პატარა ნახვრეტიდან. შუშის პრიზმაზე დაცემით, ის გარდატეხა და მოპირდაპირე კედელზე აძლევდა მოგრძო გამოსახულებას ფერთა მოციმციმე მონაცვლეობით. მრავალსაუკუნოვანი ტრადიციის მიხედვით, რომ ცისარტყელა ითვლებოდა შვიდი ძირითადი ფერისგან, ნიუტონმა ასევე გამოავლინა შვიდი ფერი: იასამნისფერი, ლურჯი, ცისფერი, მწვანე, ყვითელი, ნარინჯისფერი და წითელი. ნიუტონმა ცისარტყელას ზოლს უწოდა სპექტრი.
ხვრელის წითელი შუშით დახურვისას ნიუტონმა კედელზე მხოლოდ წითელი ლაქა დააფიქსირა, ლურჯ-ლურჯით დახურა და ა.შ. აქედან გამომდინარეობდა, რომ ეს არ იყო პრიზმა, რომელიც აფერადებდა თეთრ შუქს, როგორც ადრე ვარაუდობდნენ. პრიზმა ფერს არ ცვლის, არამედ მხოლოდ მის შემადგენელ ნაწილებად იშლება. თეთრ შუქს აქვს რთული სტრუქტურა. მისგან შესაძლებელია სხვადასხვა ფერის სხივების გარჩევა და მხოლოდ მათი ერთობლივი მოქმედება გვაძლევს თეთრი ფერის შთაბეჭდილებას. სინამდვილეში, თუ მეორე პრიზმის გამოყენებით ბრუნავს 180 გრადუსით პირველთან შედარებით. შეაგროვეთ სპექტრის ყველა სხივი, შემდეგ კვლავ მიიღებთ თეთრ შუქს. თუ სპექტრის რომელიმე ნაწილს გამოვყოფთ, მაგალითად, მწვანეს და ვაიძულებთ სინათლეს გაიაროს სხვა პრიზმაში, აღარ მივიღებთ ფერის შემდგომ ცვლილებას.
კიდევ ერთი მნიშვნელოვანი დასკვნა, რომელსაც ნიუტონი მივიდა, მან ჩამოაყალიბა თავის ტრაქტატში "ოპტიკა" შემდეგნაირად: "შუქის სხივები, რომლებიც განსხვავდება ფერით, განსხვავდება გარდატეხის ხარისხით." იისფერი სხივები ყველაზე ძლიერად ირღვევა, წითელი - ნაკლებია, ვიდრე სხვები. სინათლის გარდატეხის ინდექსის დამოკიდებულებას მის ფერზე ეწოდება დისპერსია (ლათინური სიტყვიდან Dispergo, მე ვფანტავ).
ნიუტონმა კიდევ უფრო გააუმჯობესა თავისი დაკვირვებები სპექტრზე, რათა მიეღო უფრო სუფთა ფერები. პრიზმაში გავლილი სინათლის სხივის მრგვალი ფერადი ლაქები ხომ ნაწილობრივ ერთმანეთს გადაფარავდა. მრგვალი ხვრელის ნაცვლად გამოყენებული იყო ვიწრო ჭრილი (A), რომელიც განათებული იყო ნათელი წყაროთ. ჭრილის უკან იყო ობიექტივი (B), რომელიც აწარმოებდა სურათს ეკრანზე (D) ვიწრო თეთრი ზოლის სახით. თუ პრიზმა (C) მოთავსებულია სხივების გზაზე, მაშინ ნაპრალის გამოსახულება გაიჭიმება სპექტრად, ფერად ზოლად, ფერების გადასვლები, რომლებშიც წითელიდან იისფერში მსგავსია ცისარტყელაში დაფიქსირებულის. ნიუტონის გამოცდილება ნაჩვენებია ნახაზ 1-ში
თუ უფსკრული ფერადი მინით დაფარავთ, ე.ი. თუ ფერად შუქს თეთრი სინათლის ნაცვლად პრიზმაში მიმართავთ, ჭრილის გამოსახულება დაიყვანება ფერად მართკუთხედად, რომელიც მდებარეობს სპექტრის შესაბამის ადგილას, ე.ი. ფერის მიხედვით, შუქი გადაიხრება ორიგინალური გამოსახულების სხვადასხვა კუთხით. აღწერილი დაკვირვება გვიჩვენებს, რომ სხვადასხვა ფერის სხივები განსხვავებულად ირღვევა პრიზმით.
ნიუტონმა ეს მნიშვნელოვანი დასკვნა მრავალი ექსპერიმენტით დაადასტურა. მათგან ყველაზე მნიშვნელოვანი იყო სპექტრიდან ამოღებული სხვადასხვა ფერის სხივების რეფრაქციული ინდექსის განსაზღვრა. ამ მიზნით ეკრანზე გაიჭრა ხვრელი, რომელზეც მიიღება სპექტრი; ეკრანის გადაადგილებით ხვრელში შესაძლებელი იყო ამა თუ იმ ფერის სხივების ვიწრო სხივის გაშვება. ერთგვაროვანი სხივების ხაზგასმის ეს მეთოდი უფრო სრულყოფილია, ვიდრე ფერადი შუშით. ექსპერიმენტებმა აჩვენა, რომ ასეთი შერჩეული სხივი, მეორე პრიზმაში გარდატეხილი, აღარ აჭიმავს ზოლს. ასეთი სხივი შეესაბამება გარკვეულ რეფრაქციულ ინდექსს, რომლის ღირებულება დამოკიდებულია არჩეული სხივის ფერზე.
ამრიგად, ნიუტონის ძირითადი ექსპერიმენტები შეიცავდა ორ მნიშვნელოვან აღმოჩენას:
1. სხვადასხვა ფერის სინათლე მოცემულ ნივთიერებაში სხვადასხვა რეფრაქციული ინდექსით ხასიათდება (დისპერსია).
2. თეთრი არის მარტივი ფერების კოლექცია.
ახლა ჩვენ ვიცით, რომ სხვადასხვა ფერები შეესაბამება სინათლის სხვადასხვა ტალღის სიგრძეს. ამიტომ, ნიუტონის პირველი აღმოჩენა შეიძლება ასე ჩამოყალიბდეს: მატერიის გარდატეხის ინდექსი დამოკიდებულია სინათლის ტალღის სიგრძეზე. ის ჩვეულებრივ იზრდება ტალღის სიგრძის შემცირებით.
სინათლის ჩარევა შეინიშნებოდა ძალიან დიდი ხნის განმავლობაში, მაგრამ მათ ეს უბრალოდ ვერ ხვდებოდნენ. ბევრს უნახავს ჩარევის ნიმუში, როდესაც ბავშვობაში მხიარულობდნენ საპნის ბუშტების აფეთქებით ან უყურებდნენ წყლის ზედაპირზე ნავთის თხელი ფენის ფერების მოლურჯო ნაკადს. ეს არის სინათლის ჩარევა, რაც საპნის ბუშტს ასე აღტაცებას ხდის.
ინგლისელი მეცნიერი თომას იანგი იყო პირველი, ვინც მოიფიქრა ბრწყინვალე იდეა თხელი ფენების ფერების ახსნის შესაძლებლობის შესახებ ორი ტალღის დამატებით, რომელთაგან ერთი (A) აისახება ფილმის გარე ზედაპირიდან, ხოლო მეორე ( ბ) შიგნიდან (ნახ. 2)
|
|
ამ შემთხვევაში ხდება სინათლის ტალღების ჩარევა - ორი ტალღის დამატება, რის შედეგადაც ხდება სინათლის ვიბრაციების ზრდა ან შემცირება სივრცის სხვადასხვა წერტილში. ჩარევის შედეგი (მიღებული რხევების გაძლიერება ან შესუსტება) დამოკიდებულია ფირის სისქეზე და ტალღის სიგრძეზე. სინათლის გაძლიერება მოხდება, თუ გარდატეხილი ტალღა 2 (ფილის შიდა ზედაპირიდან ასახული) ჩამორჩება 1 ტალღას (ფილის გარე ზედაპირიდან ასახული) ტალღის სიგრძის მთელი რიცხვით. თუ მეორე ტალღა ჩამორჩება პირველს ნახევარი ტალღის სიგრძით ან კენტი რაოდენობის ნახევრად ტალღებით, მაშინ შუქი შესუსტდება.
იმისათვის, რომ ტალღების დამატებისას ჩამოყალიბდეს სტაბილური ჩარევის ნიმუში, ტალღები უნდა იყოს თანმიმდევრული, ე.ი. უნდა ჰქონდეს იგივე ტალღის სიგრძე და მუდმივი ფაზის სხვაობა. ფილმის გარე და შიდა ზედაპირიდან არეკლილი ტალღების თანმიმდევრულობა უზრუნველყოფილია იმით, რომ ორივე მათგანი ერთი და იგივე სინათლის სხივის ნაწილებია. ორი ჩვეულებრივი დამოუკიდებელი წყაროს მიერ გამოსხივებული ტალღები არ იძლევა ჩარევის ნიმუშს იმის გამო, რომ ასეთი წყაროებიდან ორი ტალღის ფაზური სხვაობა არ არის მუდმივი.
იუნგი ასევე მიხვდა, რომ ფერის განსხვავება გამოწვეულია სინათლის ტალღების ტალღის სიგრძის (ან სიხშირის) სხვაობით. სხვადასხვა ფერის მსუბუქი ნაკადები შეესაბამება სხვადასხვა სიგრძის ტალღებს. სხვადასხვა სიგრძის ტალღების ურთიერთგაძლიერება მოითხოვს სხვადასხვა ფირის სისქეს. ამიტომ, თუ ფილმს აქვს არათანაბარი სისქე, მაშინ როდესაც იგი განათებულია თეთრი შუქით, უნდა გამოჩნდეს სხვადასხვა ფერები.
სინათლის დიფრაქცია ვიწრო გაგებით არის დაბრკოლებების ირგვლივ სინათლის მოხრისა და გეომეტრიული ჩრდილის რეგიონში შესვლის ფენომენი; ფართო გაგებით - ნებისმიერი გადახრა სინათლის გავრცელებაში გეომეტრიული ოპტიკის კანონებიდან.
სომერფელდის განმარტება: სინათლის დიფრაქციით იგულისხმება ნებისმიერი გადახრა მართკუთხა გავრცელებიდან, თუ ის არ შეიძლება აიხსნას, როგორც სინათლის სხივების არეკვლის, გარდატეხის ან დახრის შედეგად, მუდმივად ცვალებადი გარდატეხის ინდექსით.
1802 წელს იუნგი, რომელმაც აღმოაჩინა სინათლის ჩარევა, მოაწყო კლასიკური ექსპერიმენტი დიფრაქციის შესახებ (ნახ. 3).
გაუმჭვირვალე ეკრანზე მან გაჭრა ორი პატარა ხვრელი B და C ქინძისთავით, ერთმანეთისგან მცირე მანძილზე. ეს ხვრელები ანათებდა ვიწრო სინათლის სხივით, რომელიც თავის მხრივ გადიოდა სხვა ეკრანის პატარა ხვრელში A. სწორედ ამ დეტალმა, რომელიც იმ დროს ძალიან ძნელი მოსაფიქრებელი იყო, გადაწყვიტა ექსპერიმენტის წარმატება. მხოლოდ თანმიმდევრული ტალღები ერევა. სფერული ტალღა, რომელიც წარმოიშვა ჰიუგენსის პრინციპის შესაბამისად A ხვრელიდან, აღგზნებული იყო თანმიმდევრული რხევები B და C ხვრელებში. დიფრაქციის შედეგად B და C ხვრელებიდან ორი სინათლის კონუსი წარმოიქმნა, რომლებიც ნაწილობრივ გადახურულია. სინათლის ტალღების ჩარევის შედეგად ეკრანზე მონაცვლეობითი ნათელი და მუქი ზოლები გამოჩნდა. ერთ-ერთი ხვრელის დახურვისას იუნგმა აღმოაჩინა, რომ ჩარევის კიდეები გაქრა. სწორედ ამ ექსპერიმენტის დახმარებით იუნგმა პირველად გაზომა სხვადასხვა ფერის სინათლის სხივების შესაბამისი ტალღის სიგრძე და ძალიან ზუსტად.
დიფრაქციის შესწავლა დასრულდა ფრენელის ნაშრომებში. მან დეტალურად შეისწავლა დიფრაქციის სხვადასხვა ფუნქციები ექსპერიმენტებში და ააგო დიფრაქციის რაოდენობრივი თეორია, რაც შესაძლებელს ხდის გამოთვალოს დიფრაქციის ნიმუში, რომელიც წარმოიქმნება, როდესაც სინათლე მოძრაობს რაიმე დაბრკოლების გარშემო.
დიფრაქციის თეორიის გამოყენებით, ისინი წყვეტენ ისეთ პრობლემებს, როგორიცაა ხმაურის დაცვა აკუსტიკური ეკრანების გამოყენებით, რადიოტალღების გავრცელება დედამიწის ზედაპირზე, ოპტიკური ინსტრუმენტების მუშაობა (რადგან ლინზების მიერ მოცემული გამოსახულება ყოველთვის დიფრაქციული ნიმუშია), ზედაპირის ხარისხის გაზომვები. მატერიის სტრუქტურის შესწავლა და მრავალი სხვა.
სინათლის ტალღების ბუნების შესახებ ახალი თვისებები ნაჩვენებია კრისტალებში სინათლის გავლის გამოცდილებით, განსაკუთრებით ტურმალინით.
აიღეთ ტურმალინის ორი იდენტური მართკუთხა ფირფიტა, ამოჭერით ისე, რომ მართკუთხედის ერთ-ერთი მხარე ემთხვევა ბროლის შიგნით გარკვეულ მიმართულებას, რომელსაც ოპტიკური ღერძი ეწოდება. მოდით, ერთი თეფში მეორეზე დავდოთ ისე, რომ მათი ცულები ემთხვეოდეს მიმართულებით და მივცეთ შუქის ვიწრო სხივი ფარანიდან ან მზისგან დაკეცილ წყვილ ფირფიტაზე. ტურმალინი არის ყავისფერ-მწვანე კრისტალი, გავლილი სხივის კვალი ეკრანზე გამოჩნდება მუქი მწვანე ლაქის სახით. დავიწყოთ ერთ-ერთი ფირფიტის შემობრუნება სხივის ირგვლივ, მეორე კი უმოძრაოდ დავტოვოთ. ჩვენ აღმოვაჩენთ, რომ სხივის კვალი სუსტდება და როდესაც ფირფიტა ბრუნავს 90 0-ით, ის საერთოდ ქრება. ფირფიტის შემდგომი ბრუნვით, გადაცემული სხივი კვლავ დაიწყებს ზრდას და მიაღწევს წინა ინტენსივობას, როდესაც ფირფიტა ბრუნავს 180 0-ზე, ე.ი. როდესაც ფირფიტების ოპტიკური ღერძი ისევ პარალელურია. ტურმალინის შემდგომი ბრუნვით, სხივი კვლავ სუსტდება.
ამ ფენომენებიდან შეიძლება გამოვიდეს შემდეგი დასკვნები:
1. სინათლის ვიბრაციები სხივში მიმართულია სინათლის გავრცელების ხაზის პერპენდიკულურად (სინათლის ტალღები განივია).
2. ტურმალინს შეუძლია სინათლის ვიბრაციების გადაცემა მხოლოდ მაშინ, როცა ისინი მიმართულია გარკვეული გზით მის ღერძთან მიმართებაში.
3. ფარნის (მზის) შუქზე წარმოდგენილია ნებისმიერი მიმართულების განივი ვიბრაციები და, მეტიც, იმავე პროპორციით, ისე რომ არც ერთი მიმართულება არ ჭარბობს.
დასკვნა 3 განმარტავს, თუ რატომ გადის ბუნებრივი სინათლე ტურმალინში თანაბრად ნებისმიერ ორიენტაციაში, თუმცა ტურმალინს, მე-2 დასკვნის მიხედვით, შეუძლია სინათლის ვიბრაციების გადაცემა მხოლოდ გარკვეული მიმართულებით. ბუნებრივი სინათლის გავლა ტურმალინში მივყავართ იმ ფაქტს, რომ განივი ვიბრაციებიდან შეირჩევა მხოლოდ ის ვიბრაციები, რომლებიც შეიძლება გადაიცეს ტურმალინით. ამრიგად, ტურმალინში გამავალი სინათლე იქნება განივი ვიბრაციების ერთობლიობა ერთი მიმართულებით, რომელიც განისაზღვრება ტურმალინის ღერძის ორიენტაციის მიხედვით. ასეთ სინათლეს ჩვენ ვუწოდებთ წრფივად პოლარიზებულს, ხოლო სიბრტყეს, რომელიც შეიცავს რხევის მიმართულებას და სინათლის სხივის ღერძს - პოლარიზაციის სიბრტყე.
ახლა ნათელი ხდება ექსპერიმენტი სინათლის გავლის ორ თანმიმდევრულად მოთავსებულ ტურმალინის ფირფიტაზე. პირველი ფირფიტა აპოლარიზებს მასში გამავალ სინათლის სხივს და ტოვებს მასში რხევის მხოლოდ ერთ მიმართულებას. ამ ვიბრაციას შეუძლია მთლიანად გაიაროს მეორე ტურმალინი მხოლოდ იმ შემთხვევაში, თუ მათი მიმართულება ემთხვევა მეორე ტურმალინის მიერ გადაცემული ვიბრაციების მიმართულებას, ე.ი. როცა მისი ღერძი პირველის ღერძის პარალელურია. თუ პოლარიზებულ სინათლეში ვიბრაციების მიმართულება პერპენდიკულარულია მეორე ტურმალინით გადაცემული ვიბრაციების მიმართულებაზე, მაშინ სინათლე მთლიანად დაიბლოკება. თუ პოლარიზებულ სინათლეში რხევის მიმართულება ქმნის მახვილ კუთხეს ტურმალინის მიერ გადაცემული მიმართულების მიმართ, მაშინ რხევა მხოლოდ ნაწილობრივ გადაიცემა.
2. სინათლის კვანტური თვისებები
1887 წელს გერმანელმა ფიზიკოსმა ჰერცმა ახსნა ფოტოელექტრული ეფექტის ფენომენი. ამის საფუძველი პლანკის კვანტური ჰიპოთეზა იყო.
ფოტოელექტრული ეფექტის ფენომენი გამოვლენილია თუთიის ფირფიტის განათებისას, რომელიც დაკავშირებულია ელექტრომეტრის ღეროსთან. თუ დადებითი მუხტი გადადის ფირფიტაზე და ღეროზე, მაშინ ელექტრომეტრი არ იხსნება, როდესაც ფირფიტა განათებულია. როდესაც ფირფიტაზე უარყოფითი ელექტრული მუხტი გადაეცემა, ელექტრომეტრი იხსნება, როგორც კი ულტრაიისფერი გამოსხივება მოხვდება ფირფიტაზე. ეს ექსპერიმენტი ამტკიცებს, რომ ნეგატიური ელექტრული მუხტები შეიძლება განთავისუფლდეს ლითონის ფირფიტის ზედაპირიდან სინათლის მოქმედებით. სინათლის მიერ გამოდევნილი ნაწილაკების მუხტისა და მასის გაზომვებმა აჩვენა, რომ ეს ნაწილაკები ელექტრონებია.
ცდილობდნენ აეხსნათ გარე ფოტოელექტრული ეფექტის კანონები სინათლის ტალღური კონცეფციების საფუძველზე. ამ იდეების მიხედვით, ფოტოელექტრული ეფექტის მექანიზმი ასე გამოიყურება. მსუბუქი ტალღა ეცემა ლითონს. მის ზედაპირულ შრეში მდებარე ელექტრონები შთანთქავენ ამ ტალღის ენერგიას და მათი ენერგია თანდათან იზრდება. როდესაც ის სამუშაო ფუნქციაზე მეტი ხდება, ელექტრონები იწყებენ ფრენას ლითონისგან. ამრიგად, სინათლის ტალღის თეორიას, სავარაუდოდ, შეუძლია ხარისხობრივად ახსნას ფოტოელექტრული ეფექტის ფენომენი.
თუმცა, გამოთვლებმა აჩვენა, რომ ამ განმარტებით, დრო ლითონის განათების დაწყებასა და ელექტრონის გამოსხივების დაწყებას შორის უნდა იყოს ათი წამის რიგითობა. იმავდროულად, გამოცდილებიდან გამომდინარეობს, რომ თ<10-9c. Следовательно, волновая теория света не объясняет безинерционности фотоэффекта. Не может она объяснить и остальные законы фотоэффекта.
ტალღის თეორიის თანახმად, ფოტოელექტრონების კინეტიკური ენერგია უნდა გაიზარდოს მეტალზე სინათლის ინტენსივობის გაზრდით. ხოლო ტალღის ინტენსივობა განისაზღვრება E ინტენსივობის რყევების ამპლიტუდით და არა სინათლის სიხშირით. (მხოლოდ გამოდევნილი ელექტრონების რაოდენობა და გაჯერების დენის ინტენსივობა დამოკიდებულია შემოვარდნილი სინათლის ინტენსივობაზე).
ტალღის თეორიიდან გამომდინარეობს, რომ მეტალიდან ელექტრონების ამოსაღებად საჭირო ენერგია შეიძლება მივიღოთ ნებისმიერი სიგრძის ტალღის გამოსხივებით, თუ მისი ინტენსივობა საკმარისად მაღალია, ე.ი. რომ ფოტოელექტრული ეფექტი შეიძლება გამოწვეული იყოს ნებისმიერი სინათლის გამოსხივებით. თუმცა, არსებობს ფოტოელექტრული ეფექტის წითელი საზღვარი, ე.ი. ელექტრონების მიერ მიღებული ენერგია დამოკიდებულია არა ტალღის ამპლიტუდაზე, არამედ მის სიხშირეზე.
ამრიგად, სინათლის ტალღური კონცეფციების საფუძველზე ფოტოელექტრული ეფექტის კანონების ახსნის მცდელობები გაუმართლებელი აღმოჩნდა.
კომპტონის ეფექტი არის ფოტონების სიხშირის ან ტალღის სიგრძის ცვლილება ელექტრონებისა და ნუკლეონების მიერ მათი გაფანტვის დროს. ეს ეფექტი არ ჯდება ტალღის თეორიის ჩარჩოებში, რომლის მიხედვითაც ტალღის სიგრძე არ უნდა შეიცვალოს გაფანტვისას: სინათლის ტალღის პერიოდული ველის მოქმედებით ელექტრონი ირხევა ველის სიხშირით და, შესაბამისად, ასხივებს გაფანტულ ტალღებს. იგივე სიხშირით.
კომპტონის ეფექტი განსხვავდება ფოტოელექტრული ეფექტისგან იმით, რომ ფოტონი თავის ენერგიას მატერიის ნაწილაკებზე არასრულად გადასცემს. კომპტონის ეფექტის განსაკუთრებული შემთხვევაა რენტგენის სხივების გაფანტვა ატომების ელექტრონულ გარსებზე და გამა სხივების გაფანტვა ატომის ბირთვებზე. უმარტივეს შემთხვევაში კომპტონის ეფექტი არის მონოქრომატული რენტგენის სხივების გაფანტვა მსუბუქი ნივთიერებებით (გრაფიტი, პარაფინი და ა.შ.), ხოლო ამ ეფექტის თეორიული განხილვისას, ამ შემთხვევაში, ელექტრონი ითვლება თავისუფლად.
კომპტონის ეფექტის ახსნა მოცემულია სინათლის ბუნების კვანტური კონცეფციების საფუძველზე. თუ ვივარაუდებთ, როგორც ამას კვანტური თეორია აკეთებს, რომ გამოსხივება კორპუსკულური ხასიათისაა.
კომპტონის ეფექტიც და კვანტურ კონცეფციებზე დაფუძნებული ფოტოელექტრული ეფექტი განპირობებულია ფოტონების ელექტრონებთან ურთიერთქმედებით. პირველ შემთხვევაში ფოტონი იფანტება, მეორეში კი შთანთქავს. გაფანტვა ხდება მაშინ, როდესაც ფოტონი ურთიერთქმედებს თავისუფალ ელექტრონებთან, ხოლო ფოტოელექტრული ეფექტი ხდება მაშინ, როდესაც ის ურთიერთქმედებს შეკრულ ელექტრონებთან. შეიძლება ნაჩვენები იყოს, რომ როდესაც ფოტონი ეჯახება თავისუფალ ელექტრონებს, ფოტონის შთანთქმა არ შეიძლება მოხდეს, რადგან ეს ეწინააღმდეგება იმპულსის და ენერგიის შენარჩუნების კანონებს. ამიტომ, როცა ფოტონები თავისუფალ ელექტრონებთან ურთიერთობენ, მხოლოდ მათი გაფანტვა შეინიშნება, ე.ი. კომპტონის ეფექტი.
დასკვნა
ჩარევის, დიფრაქციის, სინათლის პოლარიზაციის ფენომენები ჩვეულებრივი სინათლის წყაროებიდან უეჭველად მოწმობს სინათლის ტალღურ თვისებებს. თუმცა, ამ მოვლენებშიც კი, შესაბამის პირობებში, სინათლე ავლენს კორპუსკულურ თვისებებს. თავის მხრივ, სხეულების თერმული გამოსხივების კანონზომიერებები, ფოტოელექტრული ეფექტი და სხვა უდავოდ მიუთითებს იმაზე, რომ სინათლე იქცევა არა როგორც უწყვეტი, გაფართოებული ტალღა, არამედ როგორც ენერგიის „მტევნების“ (ნაწილები, კვანტები) ნაკადი, ე.ი. როგორც ნაწილაკების ნაკადი – ფოტონები.
ამრიგად, სინათლე აერთიანებს ტალღების უწყვეტობას და ნაწილაკების დისკრეტულობას. თუ გავითვალისწინებთ, რომ ფოტონები არსებობენ მხოლოდ მოძრაობისას (c სიჩქარით), მაშინ მივალთ დასკვნამდე, რომ ტალღური და კორპუსკულური თვისებები ერთდროულად თანდაყოლილია სინათლისთვის. მაგრამ ზოგიერთ ფენომენში, გარკვეულ პირობებში, ან ტალღური ან კორპუსკულური თვისებები თამაშობს მთავარ როლს და სინათლე შეიძლება ჩაითვალოს როგორც ტალღა ან როგორც ნაწილაკები (კორპუსკულები).
გამოყენებული ლიტერატურის სია
1. იავორსკი ბ.მ. Detlaf A.A. ფიზიკის სახელმძღვანელო. – მ.: ნაუკა 2002 წ.
2. ტროფიმოვა ტ.ი. ფიზიკის კურსი - მ .: უმაღლესი სკოლა 2001 წ.
3. გურსკი ი.პ. დაწყებითი ფიზიკა, რედ. ი.ვ. საველიევა - მ .: განმანათლებლობა 1984 წ
4. მიაკიშევი გ.ია. ბუხოვცევი ბ.ბ. ფიზიკა - მ .: განათლება 1982 წ.
ძველი მეცნიერების პირველი იდეები იმის შესახებ, თუ რა არის სინათლე, ძალიან გულუბრყვილო იყო. რამდენიმე თვალსაზრისი იყო. ზოგიერთს სჯეროდა, რომ სპეციალური თხელი საცეცები გამოდის თვალებიდან და ვიზუალური შთაბეჭდილება წარმოიქმნება, როდესაც ისინი გრძნობენ საგნებს. ამ თვალსაზრისს ჰყავდა მიმდევრების დიდი რაოდენობა, რომელთა შორის იყვნენ ევკლიდე, პტოლემე და მრავალი სხვა მეცნიერი და ფილოსოფოსი. სხვები, პირიქით, თვლიდნენ, რომ სხივები გამოიყოფა მანათობელი სხეულის მიერ და, ადამიანის თვალამდე მისვლისას, ატარებს მანათობელი ობიექტის ანაბეჭდს. ეს თვალსაზრისი ჰქონდა ლუკრეციუსს, დემოკრიტეს.
მე-17 საუკუნეში, თითქმის ერთდროულად, დაიწყო ორი სრულიად განსხვავებული თეორია იმის შესახებ, თუ რა არის სინათლე და რა არის მისი ბუნება. ამ თეორიებიდან ერთი დაკავშირებულია ი.ნიუტონის სახელთან, ხოლო მეორე - ჰ.ჰაიგენსის სახელთან.
ი.ნიუტონი იცავდა ე.წ სინათლის კორპუსკულური თეორია, რომლის მიხედვითაც სინათლე არის ნაწილაკების ნაკადი, რომელიც მოდის წყაროდან ყველა მიმართულებით (ნივთიერების გადაცემა).
ჰ.ჰაიგენსის იდეების მიხედვით, სინათლე არის ტალღების ნაკადი, რომელიც ვრცელდება სპეციალურ, ჰიპოთეტურ გარემოში - ეთერში, რომელიც ავსებს მთელ სივრცეს და აღწევს ყველა სხეულში.
ორივე თეორია პარალელურად დიდი ხანია არსებობს. ვერცერთმა ვერ მოიპოვა გადამწყვეტი გამარჯვება. მხოლოდ ი. ნიუტონის ავტორიტეტმა აიძულა მეცნიერთა უმრავლესობა მიეცეს უპირატესობა კორპუსკულარულ თეორიას. სინათლის გავრცელების კანონები, რომლებიც იმ დროს იყო ცნობილი გამოცდილებიდან, მეტ-ნაკლებად წარმატებით იყო ახსნილი ორივე თეორიით.
კორპუსკულური თეორიის საფუძველზე ძნელი იყო იმის ახსნა, თუ რატომ არ მოქმედებენ ერთმანეთზე შუქის სხივები, რომლებიც კვეთენ სივრცეში. სინათლის ნაწილაკები ხომ უნდა შეეჯახონ და გაიფანტონ.
ტალღის თეორიამ ეს მარტივად ახსნა. ტალღები, მაგალითად, წყლის ზედაპირზე, თავისუფლად გადის ერთმანეთზე ურთიერთგავლენის გარეშე.
თუმცა, სინათლის სწორხაზოვანი გავრცელება, რაც იწვევს ობიექტების უკან მკვეთრი ჩრდილების წარმოქმნას, ძნელია ახსნას ტალღის თეორიის საფუძველზე. კორპუსკულური თეორიის მიხედვით, სინათლის სწორხაზოვანი გავრცელება უბრალოდ ინერციის კანონის შედეგია.
ასეთი განუსაზღვრელი პოზიცია სინათლის ბუნებასთან დაკავშირებით გაგრძელდა მე-19 საუკუნის დასაწყისამდე, სანამ აღმოაჩინეს სინათლის დიფრაქციის (დაბრკოლებების ირგვლივ შუქის შემოხვევა) და სინათლის ჩარევის (განათების გაძლიერება ან შესუსტება, როდესაც სინათლის სხივები ერთმანეთზე ზედ ადგებოდა) ფენომენები. . ეს ფენომენი თანდაყოლილია მხოლოდ ტალღის მოძრაობაში. მათი ახსნა კორპუსკულური თეორიის დახმარებით შეუძლებელია. სინათლის ტალღური თვისებები ასევე მოიცავს სინათლის დისპერსიას, პოლარიზაციას. ამიტომ ჩანდა, რომ ტალღის თეორიამ საბოლოო და სრული გამარჯვება მოიპოვა.
ასეთი ნდობა განსაკუთრებით გაძლიერდა, როდესაც დ.მაქსველმა XIX საუკუნის მეორე ნახევარში აჩვენა, რომ სინათლე ელექტრომაგნიტური ტალღების განსაკუთრებული შემთხვევაა. დ.მაქსველის ნაშრომებმა საფუძველი ჩაუყარა სინათლის ელექტრომაგნიტურ თეორიას. გ.ჰერცის მიერ ელექტრომაგნიტური ტალღების ექსპერიმენტული აღმოჩენის შემდეგ, ეჭვგარეშეა, რომ სინათლე გავრცელებისას ტალღის მსგავსად იქცევა. თუმცა, მე-20 საუკუნის დასაწყისში, იდეები სინათლის ბუნების შესახებ რადიკალურად შეიცვალა. მოულოდნელად გაირკვა, რომ უარყოფილი კორპუსკულური თეორია კვლავ აქტუალურია რეალობასთან. როდესაც გამოიყოფა და შეიწოვება, სინათლე იქცევა ნაწილაკების ნაკადად. სინათლის ტალღური თვისებები ვერ ხსნიდა ფოტოელექტრული ეფექტის ნიმუშებს.
უჩვეულო სიტუაცია შეიქმნა. ჩარევის, დიფრაქციის, სინათლის პოლარიზაციის ფენომენები ჩვეულებრივი სინათლის წყაროებიდან უეჭველად მოწმობს სინათლის ტალღურ თვისებებს. თუმცა, ამ მოვლენებშიც კი, შესაბამის პირობებში, სინათლე ავლენს კორპუსკულურ თვისებებს. თავის მხრივ, სხეულების თერმული გამოსხივების კანონზომიერებები, ფოტოელექტრული ეფექტი და სხვა უდავოდ მიუთითებს იმაზე, რომ სინათლე იქცევა არა როგორც უწყვეტი, გაფართოებული ტალღა, არამედ როგორც ენერგიის „მტევნების“ (ნაწილები, კვანტები) ნაკადი, ე.ი. როგორც ნაწილაკების ნაკადი – ფოტონები.
ამრიგად, სინათლე აერთიანებს ტალღების უწყვეტობას და ნაწილაკების დისკრეტულობას. თუ გავითვალისწინებთ, რომ ფოტონები არსებობენ მხოლოდ მოძრაობისას (c სიჩქარით), მაშინ მივალთ დასკვნამდე, რომ ტალღური და კორპუსკულური თვისებები ერთდროულად თან ახლავს სინათლეს, მაგრამ ზოგიერთ მოვლენაში, გარკვეულ პირობებში, ან ტალღური ან კორპუსკულური თვისებები. მთავარ როლს ასრულებს და სინათლე შეიძლება ჩაითვალოს როგორც ტალღად, ასევე ნაწილაკებად (კორპუსკულებად).
ობიექტებში ტალღის და კორპუსკულური თვისებების ერთდროული არსებობა ეწოდება ტალღა-ნაწილაკების ორმაგობა.
მიკრონაწილაკების ტალღური თვისებები. ელექტრონის დიფრაქცია
1923 წელს ფრანგმა ფიზიკოსმა ლ. დე ბროლიმ წამოაყენა ჰიპოთეზა ტალღა-ნაწილაკების ორმაგობის უნივერსალურობის შესახებ. დე ბროლი ამტკიცებდა, რომ არა მხოლოდ ფოტონებს, არამედ ელექტრონებს და მატერიის სხვა ნაწილაკებს, კორპუსკულურებთან ერთად, ასევე აქვთ ტალღური თვისებები.
დე ბროლის აზრით, თითოეული მიკრო ობიექტი ასოცირდება, ერთი მხრივ, კორპუსკულარულ მახასიათებლებთან - ენერგიასთან ედა იმპულსი გვდა მეორე მხრივ, ტალღის მახასიათებლები - სიხშირე ν და ტალღის სიგრძე λ .
მიკრო-ობიექტების კორპუსკულური და ტალღური მახასიათებლები დაკავშირებულია იმავე რაოდენობრივი ურთიერთობებით, როგორც ფოტონის:
\(~E = h \nu ;\;\;\; p = \dfrac(h \nu)(c) = \dfrac(h)(\lambda)\) .
დე ბროლის ჰიპოთეზამ დაადგინა ეს ურთიერთობები ყველა მიკრონაწილაკისთვის, მათ შორის, რომლებსაც აქვთ მასა. მ. იმპულსის მქონე ნებისმიერი ნაწილაკი ასოცირებული იყო ტალღის პროცესთან ტალღის სიგრძით \(~\lambda = \dfrac(h)(p)\) . ნაწილაკებისთვის, რომლებსაც აქვთ მასა,
\(~\lambda = \dfrac(h)(p) = \dfrac(h \cdot \sqrt(1 - \dfrac(\upsilon^2)(c^2)))(m \cdot \upsilon)\) .
არარელატივისტური მიახლოებით ( υ « გ)
\(~\lambda = \dfrac(h)(m \cdot \upsilon)\) .
დე ბროლის ჰიპოთეზა ეფუძნებოდა მატერიის თვისებების სიმეტრიის მოსაზრებებს და იმ დროს არ ჰქონდა ექსპერიმენტული დადასტურება. მაგრამ ეს იყო ძლიერი რევოლუციური იმპულსი მატერიალური ობიექტების ბუნების შესახებ ახალი იდეების განვითარებისთვის. რამდენიმე წლის განმავლობაში მე-20 საუკუნის არაერთმა გამოჩენილმა ფიზიკოსმა - ვ.ჰაიზენბერგმა, ე.შროდინგერმა, პ.დირაკმა, ნ.ბორმა და სხვებმა განავითარეს ახალი მეცნიერების თეორიული საფუძვლები, რომელსაც კვანტური მექანიკა ეწოდა.
დე ბროლის ჰიპოთეზის პირველი ექსპერიმენტული დადასტურება 1927 წელს მიიღეს ამერიკელმა ფიზიკოსებმა კ.დევისონმა და ლ.გერმერმა. მათ აღმოაჩინეს, რომ ნიკელის კრისტალით მიმოფანტული ელექტრონული სხივი წარმოქმნის მკაფიო დიფრაქციულ ნიმუშს, რომელიც წარმოიქმნება ბროლის მიერ მიმოფანტული მოკლე ტალღის სიგრძის რენტგენის სხივებით. ამ ექსპერიმენტებში კრისტალმა შეასრულა ბუნებრივი დიფრაქციის ბადე. ელექტრონული სხივის ტალღის სიგრძის დასადგენად გამოიყენეს დიფრაქციული მაქსიმუმის პოზიცია, რომელიც სრულ თანხმობაში აღმოჩნდა დე ბროლის ფორმულასთან.
მომდევნო 1928 წელს ინგლისელმა ფიზიკოსმა ჯ.ტომსონმა (ჯ. ტომსონის ვაჟმა, რომელმაც აღმოაჩინა ელექტრონი 30 წლით ადრე) მიიღო დე ბროლის ჰიპოთეზის ახალი დადასტურება. თავის ექსპერიმენტებში ტომსონმა დააკვირდა დიფრაქციული ნიმუში, რომელიც ხდება მაშინ, როდესაც ელექტრონული სხივი გადის თხელ პოლიკრისტალურ ოქროს ფოლგაში. ფოლგის უკან დამაგრებულ ფოტოგრაფიულ ფირფიტაზე აშკარად შეიმჩნევა კონცენტრული მსუბუქი და მუქი რგოლები, რომელთა რადიუსი იცვლებოდა ელექტრონის სიჩქარის (ანუ ტალღის სიგრძის) ცვლილებით დე ბროლის მიხედვით.
შემდგომ წლებში J. Thomson-ის ექსპერიმენტი არაერთხელ განმეორდა იგივე შედეგით, მათ შორის იმ პირობებში, როდესაც ელექტრონის ნაკადი იმდენად სუსტი იყო, რომ მოწყობილობაში ერთდროულად მხოლოდ ერთი ნაწილაკი გადიოდა (V. A. Fabrikant, 1948). ამრიგად, ექსპერიმენტულად დადასტურდა, რომ ტალღის თვისებები თანდაყოლილია არა მხოლოდ ელექტრონების დიდი ნაკრებისთვის, არამედ თითოეული ელექტრონის ცალკე.
შემდგომში ასევე აღმოაჩინეს დიფრაქციული ფენომენი ნეიტრონების, პროტონების, ატომური და მოლეკულური სხივებისთვის. მიკრონაწილაკების ტალღური თვისებების არსებობის ექსპერიმენტულმა დადასტურებამ მიგვიყვანა დასკვნამდე, რომ ეს არის ბუნების უნივერსალური ფენომენი, მატერიის ზოგადი თვისება. შესაბამისად, ტალღის თვისებები ასევე თანდაყოლილი უნდა იყოს მაკროსკოპულ სხეულებში. თუმცა, მაკროსკოპული სხეულების დიდი მასის გამო, მათი ტალღური თვისებების ექსპერიმენტულად აღმოჩენა შეუძლებელია. მაგალითად, მტვრის მარცვალი 10-9 გ მასით, რომელიც მოძრაობს 0,5 მ/წმ სიჩქარით, შეესაბამება დე ბროლის ტალღას, რომლის ტალღის სიგრძეა დაახლოებით 10-21 მ, ანუ დაახლოებით 11 ბრძანებით უფრო მცირე ზომის. ვიდრე ატომების ზომა. ეს ტალღის სიგრძე დევს დაკვირვებისთვის ხელმისაწვდომი რეგიონის გარეთ. ეს მაგალითი გვიჩვენებს, რომ მაკროსკოპულ სხეულებს შეუძლიათ მხოლოდ კორპუსკულური თვისებების გამოვლენა.
ამრიგად, დე ბროლის ექსპერიმენტულად დადასტურებულმა ჰიპოთეზამ ტალღა-ნაწილაკების ორმაგობა რადიკალურად შეცვალა იდეები მიკროობიექტების თვისებების შესახებ.
ყველა მიკრო-ობიექტს აქვს როგორც ტალღური, ასევე კორპუსკულური თვისებები, თუმცა ისინი არ არიან არც ტალღა და არც ნაწილაკი კლასიკური გაგებით. მიკრო ობიექტების სხვადასხვა თვისებები ერთდროულად არ ვლინდება, ისინი ავსებენ ერთმანეთს, მხოლოდ მათი კომბინაცია ახასიათებს მიკროობიექტს მთლიანად. ეს არის ცნობილი დანიელი ფიზიკოსის ნ.ბორის მიერ ჩამოყალიბებული ფორმულა კომპლემენტარობის პრინციპი. პირობითად შეიძლება ითქვას, რომ მიკრო-ობიექტები ტალღების მსგავსად ვრცელდება და ენერგიას ნაწილაკების მსგავსად ცვლის.
ტალღის თეორიის თვალსაზრისით, ელექტრონის დიფრაქციის ნიმუშის მაქსიმუმი შეესაბამება დე ბროლის ტალღების უმაღლეს ინტენსივობას. ელექტრონების დიდი რაოდენობა ხვდება ფოტოგრაფიულ ფირფიტაზე დაფიქსირებულ მაქსიმუმის რეგიონში. მაგრამ ფოტოგრაფიული ფირფიტის სხვადასხვა ადგილას ელექტრონების მოხვედრის პროცესი ინდივიდუალური არ არის. ფუნდამენტურად შეუძლებელია იმის პროგნოზირება, თუ სად დაეცემა შემდეგი ელექტრონი გაფანტვის შემდეგ, არსებობს მხოლოდ გარკვეული ალბათობა იმისა, რომ ელექტრონი დაეცემა ამა თუ იმ ადგილას. ამრიგად, მიკრო-ობიექტის მდგომარეობისა და მისი ქცევის აღწერა შესაძლებელია მხოლოდ ალბათობის თეორიის საფუძველზე.
დე ბროლის ტალღები არ არის ელექტრომაგნიტური ტალღები და არ აქვთ ანალოგი კლასიკურ ფიზიკაში შესწავლილ ყველა ტიპის ტალღებს შორის, რადგან ისინი არ გამოიყოფა ტალღების არცერთი წყაროდან და არ არის დაკავშირებული რაიმე ველის გავრცელებასთან, როგორიცაა ელექტრომაგნიტური ან სხვა. ისინი დაკავშირებულია ნებისმიერ მოძრავ ნაწილაკთან, განურჩევლად იმისა, ელექტრული დამუხტულია თუ ნეიტრალური.
ტალღის თვისებები.ისააკ ნიუტონის თანამედროვე, ჰოლანდიელი ფიზიკოსი კრისტიან ჰიუგენსი, არ უარყო სხეულების არსებობა, მაგრამ თვლიდა, რომ ისინი არ გამოიყოფა მანათობელი სხეულებით, არამედ ავსებს მთელ სივრცეს. ჰაიგენსი წარმოადგენდა სინათლის გავრცელების პროცესს არა როგორც პროგრესულ მოძრაობას, არამედ როგორც ერთი კორპუსკულის ზემოქმედების მეორეზე გადატანის თანმიმდევრულ პროცესს.
ჰაიგენსის მომხრეებმა გამოთქვეს მოსაზრება, რომ სინათლე არის გამავრცელებელი რხევა სპეციალურ გარემოში - "ეთერში", რომელიც ავსებს მთელ მსოფლიო სივრცეს და რომელიც თავისუფლად აღწევს ყველა სხეულში. სინათლის წყაროდან სინათლის აგზნება ეთერით გადადის ყველა მიმართულებით.
ამრიგად, გაჩნდა პირველი ტალღის იდეები სინათლის ბუნების შესახებ. სინათლის საწყისი ტალღის თეორიის მთავარი მნიშვნელობა არის პრინციპი, რომელიც თავდაპირველად ჩამოაყალიბა ჰაიგენსმა და შემდეგ შეიმუშავა ფრენელმა. ჰაიგენს-ფრესნელის პრინციპით ნათქვამია, რომ თითოეული თირკმელი, რომელიც მიიღწევა მსუბუქი აგზნებით, თავის მხრივ ხდება მეორადი ტალღების ცენტრი და გადასცემს მათ ყველა მიმართულებით მეზობელ თირკმელებში.
სინათლის ტალღური თვისებები ყველაზე მკაფიოდ ვლინდება ჩარევის და დიფრაქციის ფენომენებში.
სინათლის ჩარევა მდგომარეობს იმაში, რომ როდესაც ორი ტალღა ერთმანეთთან არის განლაგებული, რხევები შეიძლება გაძლიერდეს ან შესუსტდეს.ჩარევის პრინციპი 1801 წელს აღმოაჩინა პროფესიით ექიმმა ინგლისელმა თომას იანგმა (1773-1829). იუნგმა ჩაატარა ახლა კლასიკური ექსპერიმენტი ორი ხვრელით. ეკრანზე, ქინძისთავის წვერით იყო გაჭრილი ორი მჭიდროდ დაშორებული ხვრელი, რომლებიც მზის შუქით იყო განათებული ფარდადახურული ფანჯრის პატარა ნახვრეტიდან. ეკრანის მიღმა, ორი ნათელი წერტილის ნაცვლად, მონაცვლეობით მუქი და ღია რგოლები შეინიშნებოდა.
ჩარევის შაბლონზე დაკვირვების აუცილებელი პირობაა ტალღების თანმიმდევრულობა (რხევის ან ტალღური პროცესების კოორდინირებული ნაკადი).
ჩარევის ფენომენი ფართოდ გამოიყენება მოწყობილობებში - ინტერფერომეტრებში, რომელთა დახმარებით ტარდება სხვადასხვა ზუსტი გაზომვები და კონტროლდება ნაწილების ზედაპირის დასრულება, ისევე როგორც მრავალი სხვა საკონტროლო ოპერაცია.
1818 წელს ფრენელმა პარიზის მეცნიერებათა აკადემიის კონკურსზე წარადგინა ვრცელი მოხსენება სინათლის დიფრაქციის შესახებ. ამ მოხსენების გათვალისწინებით, A. Poisson (1781-1840) მივიდა იმ დასკვნამდე, რომ ფრენელის მიერ შემოთავაზებული თეორიის თანახმად, გარკვეულ პირობებში, სინათლის გზაზე გაუმჭვირვალე მრგვალი დაბრკოლებიდან დიფრაქციის ნიმუშის ცენტრში უნდა იყოს ნათელი წერტილი და არა ჩრდილი. ეს იყო განსაცვიფრებელი დასკვნა. დ.ფ.არაგომ (1786-1853) მაშინვე მოაწყო ექსპერიმენტი და პუასონის გამოთვლები დადასტურდა. ამრიგად, პუასონის დასკვნა, რომელიც გარეგნულად ეწინააღმდეგებოდა ფრენელის თეორიას, არაგოს ექსპერიმენტის დახმარებით გადაიქცა მისი მართებულობის ერთ-ერთ მტკიცებულებად და ასევე აღნიშნა სინათლის ტალღური ბუნების ამოცნობის დასაწყისი.
სინათლის გადახრის ფენომენს გავრცელების სწორხაზოვანი მიმართულებიდან დიფრაქცია ეწოდება.
ბევრი ოპტიკური მოწყობილობა დაფუძნებულია დიფრაქციის ფენომენზე. კერძოდ, კრისტალოგრაფიული მოწყობილობა იყენებს რენტგენის დიფრაქციას.
სინათლის ტალღური ბუნება და სინათლის ტალღების განივი ბუნება ასევე დასტურდება ფენომენით პოლარიზაცია.პოლარიზაციის არსი ნათლად ჩანს მარტივი ექსპერიმენტით: როდესაც სინათლე გადის ორ გამჭვირვალე კრისტალში, მისი ინტენსივობა დამოკიდებულია კრისტალების ორმხრივ ორიენტაციაზე. იგივე ორიენტირებით სინათლე გადის შესუსტების გარეშე. როდესაც ერთ-ერთი კრისტალი ბრუნავს 90°-ით, სინათლე მთლიანად ქრება, ე.ი. არ გადის კრისტალებს.
სინათლის ტალღურ ბუნებას ასევე ადასტურებს სინათლის დისპერსიის ფენომენი. თეთრი სინათლის ვიწრო პარალელური სხივი შუშის პრიზმაში გავლისას იშლება სხვადასხვა ფერის სინათლის სხივებად. ფერის ზოლს ეწოდება უწყვეტი სპექტრი. გარემოში სინათლის გავრცელების სიჩქარის დამოკიდებულებას ტალღის სიგრძეზე ეწოდება სინათლის დისპერსია.დისპერსია აღმოაჩინა ი.ნიუტონმა.
თეთრი სინათლის დაშლა აიხსნება იმით, რომ იგი შედგება სხვადასხვა სიგრძის ელექტრომაგნიტური ტალღებისგან და გარდატეხის ინდექსი დამოკიდებულია ტალღის სიგრძეზე. უმოკლესი ტალღის სიგრძის სინათლის გარდატეხის ინდექსის უმაღლესი მნიშვნელობა არის იისფერი, ყველაზე დაბალი ყველაზე გრძელი ტალღის სიგრძის სინათლისთვის არის წითელი. ექსპერიმენტებმა აჩვენა, რომ ვაკუუმში სინათლის სიჩქარე იგივეა ნებისმიერი ტალღის სიგრძის სინათლისთვის.
სინათლის დიფრაქციის, ინტერფერენციის, პოლარიზაციისა და დისპერსიის ფენომენების შესწავლამ განაპირობა სინათლის ტალღური თეორიის დამკვიდრება.
სინათლის კვანტური თვისებები. 1887 წელს გ.ჰერცმა ელექტრომეტრის ღეროსთან დაკავშირებული თუთიის ფირფიტის განათებისას აღმოაჩინა ფოტოელექტრული ეფექტის ფენომენი. თუ დადებითი მუხტი გადადის ფირფიტაზე და ღეროზე, მაშინ ელექტრომეტრი არ იხსნება, როდესაც ფირფიტა განათებულია. როდესაც ფირფიტაზე უარყოფითი ელექტრული მუხტი გადაეცემა, ელექტრომეტრი იხსნება, როგორც კი რადიაცია მოხვდება ფირფიტაზე. ეს ექსპერიმენტი ამტკიცებს, რომ ნეგატიური ცენტრისული მუხტები გამოდის ლითონის ფირფიტის ზედაპირიდან სინათლის მოქმედებით. სინათლის მიერ გამოდევნილი ნაწილაკების მუხტისა და მასის გაზომვებმა აჩვენა, რომ ეს ნაწილაკები ელექტრონებია. ელექტრომაგნიტური გამოსხივების ზემოქმედებით ნივთიერების მიერ ელექტრონების გამოსხივების ფენომენს ფოტოელექტრული ეფექტი ეწოდება.
ფოტოელექტრული ეფექტის რაოდენობრივი კანონზომიერებები დადგინდა 1888-1889 წლებში. რუსი ფიზიკოსი ა.გ. სტოლეტოვი (1839-1896 წწ.).
შეუძლებელი იყო ფოტოელექტრული ეფექტის ძირითადი კანონების ახსნა სინათლის ელექტრომაგნიტური თეორიის საფუძველზე. სინათლის ელექტრომაგნიტური თეორია ვერ ხსნიდა ფოტოელექტრონების ენერგიის დამოუკიდებლობას სინათლის გამოსხივების ინტენსივობისგან, ფოტოელექტრული ეფექტის წითელი საზღვრის არსებობას, ფოტოელექტრონების კინეტიკური ენერგიის პროპორციულობას სინათლის სიხშირეზე.
მაქსველის ელექტრომაგნიტური თეორია და ლორენცის ელექტრომაგნიტური თეორია, მიუხედავად მათი უზარმაზარი წარმატებებისა, გარკვეულწილად წინააღმდეგობრივი იყო და მათ გამოყენებაში მრავალი სირთულე წააწყდა. ორივე თეორია ეფუძნებოდა ეთერის ჰიპოთეზას, მხოლოდ „ელასტიური ეთერი“ შეიცვალა „ელექტრომაგნიტური ეთერით“ (მაქსველის თეორია) ან „ფიქსირებული ეთერით“ (ლორენცის თეორია). მაქსველის თეორიამ ვერ ახსნა სინათლის ემისიის და შთანთქმის პროცესები, ფოტოელექტრული ეფექტი, კომპტონის გაფანტვა და ა.შ. ლორენცის თეორიამ, თავის მხრივ, ვერ ახსნა მრავალი ფენომენი, რომელიც დაკავშირებულია სინათლის ურთიერთქმედებასთან მატერიასთან, კერძოდ, განაწილების საკითხთან. ენერგია ტალღის სიგრძეზე თერმული შავი სხეულის გამოსხივების დროს.
ეს სირთულეები და წინააღმდეგობები დაძლეული იქნა 1900 წელს გერმანელი ფიზიკოსის მ.პლანკის მიერ წამოყენებული თამამი ჰიპოთეზის წყალობით, რომლის მიხედვითაც. სინათლის გამოსხივება ხდება არა განუწყვეტლივ, არამედ დისკრეტულად, ანუ გარკვეულ ნაწილებში (კვანტებში), რომელთა ენერგია განისაზღვრება n სიხშირით:
სადაც თარის პლანკის მუდმივი.
პლანკის თეორიას არ სჭირდება ეთერის კონცეფცია. მან ახსნა სრულიად შავი სხეულის თერმული გამოსხივება.
ა.აინშტაინმა 1905 წელს შექმნა სინათლის კვანტური თეორია:არა მხოლოდ სინათლის გამოსხივება, არამედ მისი გავრცელება ხდება ფორმით სინათლის კვანტების ნაკადი - ფოტონები,რომლის ენერგია განისაზღვრება პლანკის ზემოაღნიშნული ფორმულით და იმპულსი
სადაც l არის ტალღის სიგრძე.
ელექტრომაგნიტური ტალღების კვანტური თვისებები ყველაზე სრულად ვლინდება კომპტონის ეფექტი:როდესაც მონოქრომატული რენტგენის გამოსხივება მიმოფანტულია მსუბუქი ატომების მქონე ნივთიერებით, გაფანტული გამოსხივების შემადგენლობაში, საწყისი ტალღის სიგრძით დამახასიათებელ გამოსხივებასთან ერთად, შეინიშნება უფრო გრძელი ტალღის სიგრძის გამოსხივება.
სინათლის შესახებ კვანტური იდეები კარგად ემთხვევა გამოსხივების და სინათლის შთანთქმის კანონებს, ურთიერთქმედების კანონებს, მატერიასთან გამოსხივებას. ისეთი კარგად შესწავლილი ფენომენები, როგორიცაა ჩარევა, დიფრაქცია და სინათლის პოლარიზაცია, კარგად არის ახსნილი ტალღის კონცეფციების თვალსაზრისით. სინათლის გავრცელების ყველა შესწავლილი თვისება და კანონი, მისი ურთიერთქმედება მატერიასთან გვიჩვენებს ამას სინათლეს აქვს რთული ბუნება: ეს არის საპირისპირო თვისებების ერთიანობა - კორპუსკულური (კვანტური) და ტალღური (ელექტრომაგნიტური).განვითარების გრძელმა გზამ გამოიწვია თანამედროვე იდეები სინათლის ორმაგი კორპუსკულარულ-ტალღური ბუნების შესახებ.ზემოაღნიშნული გამონათქვამები აკავშირებს რადიაციის კორპუსკულურ მახასიათებლებს - კვანტის მასას და ენერგიას - ტალღის მახასიათებლებთან - რხევების სიხშირესა და ტალღის სიგრძესთან. ამრიგად, სინათლე არის დისკრეტულობისა და უწყვეტობის ერთიანობა.
კითხვები თვითშემოწმებისთვის
კითხვა 1. რა არის საბუნებისმეტყველო მეცნიერების ყველაზე მნიშვნელოვანი ამოცანა.
1. შემეცნებითი
2. მსოფლმხედველობა
3. ტელეოლოგიური
4. სამყაროს ბუნებრივ-სამეცნიერო სურათის შექმნა
კითხვა 2. დაასახელეთ ბუნების ფიზიკური აღწერის ყველაზე ზოგადი, მნიშვნელოვანი ფუნდამენტური ცნებები.
1. მნიშვნელობა
2. მოძრაობა
3. სივრცე
კითხვა 3. როგორია ფილოსოფიური კატეგორია ობიექტური რეალობის აღსანიშნავად, რომელსაც ავლენს ჩვენი შეგრძნებები, მათგან დამოუკიდებლად არსებული.
1. ცნობიერება
2. ჩვენება
3. მატერია
