Primele idei ale oamenilor de știință antici despre ce este lumina au fost foarte naive. Au fost mai multe puncte de vedere. Unii credeau că din ochi ies tentacule subțiri speciale, iar impresiile vizuale apar atunci când simt obiectele. Acest punct de vedere a avut un număr mare de adepți, printre care au fost Euclid, Ptolemeu și mulți alți oameni de știință și filozofi. Alții, dimpotrivă, credeau că razele sunt emise de un corp luminos și, ajungând la ochiul uman, poartă amprenta unui obiect luminos. Acest punct de vedere a fost susținut de Lucretius, Democrit.

În același timp, Euclid a formulat legea propagării rectilinie a luminii. El a scris: „Razele emise de ochi se propagă pe o cale dreaptă”.

Cu toate acestea, mai târziu, deja în Evul Mediu, o astfel de idee despre natura luminii își pierde sensul. Din ce în ce mai puțini oameni de știință urmează aceste opinii. Și până la începutul secolului al XVII-lea. aceste puncte de vedere pot fi considerate deja uitate.

În secolul al XVII-lea, aproape simultan, au început să se dezvolte două teorii complet diferite despre ce este lumina și care este natura ei.

Una dintre aceste teorii este asociată cu numele lui Newton, iar cealaltă cu numele lui Huygens.

Newton a aderat la așa-numita teorie corpusculară a luminii, conform căreia lumina este un flux de particule care provine dintr-o sursă în toate direcțiile (transfer de substanță).

Conform ideilor lui Huygens, lumina este un flux de unde care se propagă într-un mediu special, ipotetic - eterul, care umple tot spațiul și pătrunde în toate corpurile.

Ambele teorii există în paralel de multă vreme. Niciunul dintre ei nu a putut câștiga o victorie decisivă. Numai autoritatea lui Newton a forțat majoritatea oamenilor de știință să acorde preferință teoriei corpusculare. Legile propagării luminii cunoscute la acea vreme din experiență au fost explicate mai mult sau mai puțin cu succes de ambele teorii.

Pe baza teoriei corpusculare, a fost dificil de explicat de ce fasciculele de lumină, care se încrucișează în spațiu, nu acționează unele asupra altora în niciun fel. La urma urmei, particulele de lumină trebuie să se ciocnească și să se împrăștie.

Teoria undelor a explicat cu ușurință acest lucru. Undele, de exemplu, la suprafața apei, trec liber unele prin altele, fără influență reciprocă.

Cu toate acestea, propagarea rectilinie a luminii, care duce la formarea de umbre ascuțite în spatele obiectelor, este dificil de explicat pe baza teoriei undelor. Conform teoriei corpusculare, propagarea rectilinie a luminii este pur și simplu o consecință a legii inerției.

O astfel de poziție nedeterminată în ceea ce privește natura luminii a persistat până la începutul secolului al XIX-lea, când s-au descoperit fenomenele de difracție a luminii (învăluirea luminii în jurul obstacolelor) și interferența luminii (intensificarea sau slăbirea iluminării atunci când fasciculele de lumină se suprapuneau între ele). . Aceste fenomene sunt inerente exclusiv mișcării ondulatorii. Este imposibil să le explici cu ajutorul teoriei corpusculare. Prin urmare, părea că teoria valului a câștigat o victorie finală și completă.

O astfel de încredere a fost întărită mai ales când Maxwell a arătat în a doua jumătate a secolului al XIX-lea că lumina este un caz special de unde electromagnetice. Lucrarea lui Maxwell a pus bazele teoriei electromagnetice a luminii.

După descoperirea experimentală a undelor electromagnetice de către Hertz, nu a existat nicio îndoială că lumina se comportă ca o undă în timpul propagării.

Cu toate acestea, la sfârșitul secolului al XIX-lea, ideile despre natura luminii au început să se schimbe radical. S-a dovedit brusc că teoria corpusculară respinsă este încă relevantă pentru realitate.

Când este emisă și absorbită, lumina se comportă ca un flux de particule.

Au fost descoperite proprietăți discontinue sau, după cum se spune, cuantice ale luminii. A apărut o situație neobișnuită: fenomenele de interferență și difracție mai pot fi explicate considerând lumina ca o undă, iar fenomenele de radiație și absorbție pot fi explicate prin considerarea luminii ca un flux de particule. Aceste două idei aparent incompatibile despre natura luminii în anii 30 ai secolului XX au reușit să fie combinate în mod constant într-o nouă teorie fizică remarcabilă - electrodinamica cuantică.

1. Proprietățile ondulatorii ale luminii

Fiind angajat în perfecţionarea telescoapelor, Newton a atras atenţia asupra faptului că imaginea dată de lentilă este colorată la margini. A devenit interesat de acest lucru și a fost primul care „a investigat diversitatea razelor de lumină și particularitățile culorilor rezultate din aceasta, pe care nimeni nu le cunoștea până acum” (cuvinte din inscripția de pe mormântul lui Newton). Experimentul de bază al lui Newton a fost ingenios de simplu. . Newton a ghicit că trimite un fascicul de lumină cu secțiune transversală mică către o prismă. Un fascicul de lumină a soarelui a intrat în încăperea întunecată printr-o mică gaură din oblon. Căzând pe o prismă de sticlă, s-a refractat și a dat pe peretele opus o imagine alungită cu alternanță irizată de culori. Urmând tradiția veche de secole conform căreia curcubeul era considerat a fi format din șapte culori primare, Newton a identificat și șapte culori: violet, albastru, cyan, verde, galben, portocaliu și roșu. Newton a numit banda curcubeu în sine un spectru.

Închizând gaura cu sticlă roșie, Newton a observat doar o pată roșie pe perete, închizând-o cu albastru-albastru etc. De aici rezultă că nu prisma a colorat lumina albă, așa cum se presupunea anterior. Prisma nu schimbă culoarea, ci doar o descompune în părțile sale componente. Lumina albă are o structură complexă. Este posibil să distingem grinzi de diferite culori de el și numai acțiunea lor comună ne oferă impresia unei culori albe. De fapt, dacă folosiți o a doua prismă rotită cu 180 de grade față de prima. Colectați toate fasciculele spectrului, apoi veți obține din nou lumină albă. Dacă scoatem în evidență orice parte a spectrului, de exemplu, verde, și forțăm lumina să treacă printr-o altă prismă, nu vom mai avea o schimbare suplimentară de culoare.

O altă concluzie importantă la care a ajuns Newton a fost formulată de acesta în tratatul său de „Optică” astfel: „Fasciculele de lumină care diferă ca culoare diferă prin gradul de refracție.” Razele violete sunt cel mai puternic refractate, cele roșii sunt mai puține decât altele. Dependența indicelui de refracție al luminii de culoarea sa se numește dispersie (din latinescul Dispergo, eu împrăștie).

Newton și-a îmbunătățit și mai mult observațiile asupra spectrului pentru a obține culori mai pure. La urma urmei, petele rotunde colorate ale fasciculului de lumină care au trecut prin prismă s-au suprapus parțial unele pe altele. În loc de o gaură rotundă, a fost folosită o fantă îngustă (A), iluminată de o sursă luminoasă. În spatele fantei se afla o lentilă (B) care producea o imagine pe ecran (D) sub forma unei dungi albe înguste. Dacă o prismă (C) este plasată în calea razelor, atunci imaginea fantei va fi întinsă într-un spectru, o bandă colorată, tranzițiile de culoare în care de la roșu la violet sunt similare cu cele observate într-un curcubeu. Experiența lui Newton este prezentată în Fig. 1

Dacă acoperiți golul cu sticlă colorată, de ex. Dacă direcționați lumina colorată către o prismă în loc de lumină albă, imaginea fantei va fi redusă la un dreptunghi colorat situat în locul corespunzător din spectru, adică. în funcție de culoare, lumina se va abate în unghiuri diferite față de imaginea originală. Observația descrisă arată că razele de culori diferite sunt refractate diferit de o prismă.

Newton a verificat această concluzie importantă prin multe experimente. Cea mai importantă dintre ele a constat în determinarea indicelui de refracție al razelor de diferite culori extrase din spectru. În acest scop s-a tăiat o gaură în ecranul pe care se obține spectrul; prin deplasarea ecranului, era posibil să elibereze prin orificiu un fascicul îngust de raze de o culoare sau alta. Această metodă de evidențiere a razelor omogene este mai perfectă decât evidențierea cu sticlă colorată. Experimentele au arătat că un astfel de fascicul selectat, refractat în a doua prismă, nu mai întinde banda. Un astfel de fascicul corespunde unui anumit indice de refracție, a cărui valoare depinde de culoarea fasciculului selectat.

Astfel, principalele experimente ale lui Newton au cuprins două descoperiri importante:

1. Lumina de diferite culori se caracterizează prin indici diferiți de refracție într-o anumită substanță (dispersie).

2. Albul este o colecție de culori simple.

Știind că lumina albă are o structură complexă, se poate explica varietatea uimitoare de culori din natură. Dacă un obiect, de exemplu, o foaie de hârtie, reflectă toate razele de diferite culori care cad pe el, atunci va apărea alb. Acoperind hârtia cu un strat de vopsea, nu creăm lumină de culoare nouă, ci reținem o parte din lumina existentă pe foaie. Doar razele roșii vor fi acum reflectate, restul vor fi absorbite de un strat de vopsea. Iarba și frunzele copacilor ni se par verzi din cauza tuturor razelor de soare care cad asupra lor, le reflectă doar pe cele verzi, absorbind restul. Dacă priviți iarba prin sticlă roșie, care transmite doar raze roșii, aceasta va apărea aproape neagră.

Acum știm că diferite culori corespund diferitelor lungimi de undă ale luminii. Prin urmare, prima descoperire a lui Newton poate fi formulată astfel: indicele de refracție al materiei depinde de lungimea de undă a luminii. De obicei crește pe măsură ce lungimea de undă scade.

Interferența luminii a fost observată foarte mult timp, dar pur și simplu nu și-au dat seama. Mulți au văzut tiparul de interferență atunci când s-au distrat suflând bule de săpun în copilărie sau au privit revărsarea irizată de culori a unei pelicule subțiri de kerosen pe suprafața apei. Interferența luminii este cea care face balonul de săpun atât de admirabil.

Caracteristica stării electronilor dintr-un atom se bazează pe poziția mecanicii cuantice despre natura duală a unui electron, care are simultan proprietățile unei particule și ale unei unde.

Pentru prima dată, natura dublă a undelor corpusculare a fost stabilită pentru lumină. Studiile unui număr de fenomene (radiații din corpurile incandescente, efectul fotoelectric, spectre atomice) au condus la concluzia că energia este emisă și absorbită nu continuu, ci discret, în porțiuni separate (quanta). Presupunerea cuantizării energiei a fost făcută pentru prima dată de Max Planck (1900) și fundamentată de Albert Einstein (1905): energia cuantică (∆E) depinde de frecvența radiației (ν):

∆Е = hν, unde h = 6,63 10 -34 J s este constanta lui Planck.

Echivalând energia unui foton hν cu rezerva totală a energiei sale mс 2 și, ținând cont de faptul că ν=с/λ, obținem o relație care exprimă relația dintre undă și proprietățile corpusculare ale unui foton:

În 1924 Louis de Broglie a sugerat că natura dublă a undelor corpusculare este inerentă nu numai radiației, ci și oricărei particule materiale: fiecare particulă având o masă (m) și care se mișcă cu o viteză (υ) corespunde unui proces de undă cu o lungime de undă λ:

λ = h / mυ(55)

Cu cât masa particulelor este mai mică, cu atât lungimea de undă este mai mare. Prin urmare, este dificil să se detecteze proprietățile de undă ale macroparticulelor.

În 1927, oamenii de știință americani Davisson și Germer, englezul Thomson și omul de știință sovietic Tartakovskii au descoperit în mod independent difracția electronilor, care a fost o confirmare experimentală a proprietăților undei electronilor. Mai târziu, a fost descoperită difracția (interferența) particulelor α, neutronilor, protonilor, atomilor și chiar moleculelor. În prezent, difracția electronilor este folosită pentru a studia structura materiei.

Proprietățile ondulatorii ale particulelor elementare conțin unul dintre principiile mecanicii ondulatorii: principiul incertitudinii (W. Heisenberg 1925): pentru corpurile mici la scară atomică, este imposibil să se determine simultan cu exactitate poziția unei particule în spațiu și viteza acesteia (momentum). Cu cât coordonatele unei particule sunt determinate mai precis, cu atât viteza acesteia devine mai puțin sigură și invers. Relația de incertitudine are forma:

unde ∆x este incertitudinea poziției particulei, ∆Р x este incertitudinea mărimii impulsului sau vitezei în direcția x. Relații similare sunt scrise și pentru coordonatele y și z. Valoarea ℏ inclusă în relația de incertitudine este foarte mică, prin urmare, pentru macroparticule, incertitudinile în valorile coordonatelor și momentelor sunt neglijabile.

Prin urmare, este imposibil să se calculeze traiectoria electronului în câmpul nucleului; se poate estima probabilitatea de a fi în atom doar folosind funcția de undă ψ, care înlocuiește noțiunea clasică de traiectorie. Funcția de undă ψ caracterizează amplitudinea undei în funcție de coordonatele electronilor, iar pătratul său ψ 2 determină distribuția spațială a electronului în atom. În cea mai simplă versiune, funcția de undă depinde de trei coordonate spațiale și face posibilă determinarea probabilității de a găsi un electron în spațiul atomic sau a acestuia. orbital . În acest fel, orbital atomic (AO) este o regiune a spațiului atomic în care probabilitatea de a găsi un electron este cea mai mare.

Funcțiile de undă sunt obținute prin rezolvarea relației fundamentale a mecanicii ondulatorii - ecuațiiSchrödinger (1926) :

(57)

unde h este constanta lui Planck, este o variabilă, U este energia potențială a particulei, E este energia totală a particulei, x, y, z sunt coordonatele.

Astfel, cuantificarea energiei unui microsistem rezultă direct din soluția ecuației de undă. Funcția de undă caracterizează complet starea electronului.

Funcția de undă a unui sistem este o funcție a stării sistemului, al cărui pătrat este egal cu densitatea probabilității de a găsi electroni în fiecare punct din spațiu. Trebuie să îndeplinească condiții standard: să fie continuu, finit, cu o singură valoare, să dispară acolo unde nu există electron.

Se obține o soluție exactă pentru un atom de hidrogen sau ioni asemănători hidrogenului; pentru sistemele cu mulți electroni, se folosesc diverse aproximări. Suprafața care limitează 90-95% din probabilitatea de a găsi un electron sau o densitate de electroni se numește graniță. Orbitul atomic și densitatea norului de electroni au aceeași suprafață de limită (formă) și aceeași orientare spațială. Orbitalii atomici ai unui electron, energia și direcția lor în spațiu depind de patru parametri - numere cuantice : principal, orbital, magnetic și spin. Primele trei caracterizează mișcarea unui electron în spațiu, iar al patrulea - în jurul propriei axe.

Număr cuanticn – principal . Determină nivelul de energie al unui electron dintr-un atom, distanța nivelului de la nucleu și dimensiunea norului de electroni. Ia valori întregi de la 1 la ∞ și corespunde numărului perioadei. Din sistemul periodic pentru orice element, după numărul perioadei, puteți determina numărul de niveluri de energie ale atomului și care nivel de energie este extern. Cu atât mai mult n, cu atât energia de interacțiune a electronului cu nucleul este mai mare. La n= 1 atom de hidrogen este în starea fundamentală, la n> 1 - în entuziasmat. În cazul în care un n∞, atunci electronul a părăsit volumul atomic. Atomul este ionizat.

De exemplu, elementul cadmiu Cd este situat în perioada a cincea, deci n=5. În atomul său, electronii sunt distribuiți pe cinci niveluri de energie (n = 1, n = 2, n = 3, n = 4, n = 5); al cincilea nivel va fi extern (n = 5).

Întrucât electronul, împreună cu proprietățile unei unde, are proprietățile unei particule materiale, acesta, având o masă m, o viteză de mișcare V și fiind la distanță de nucleul r, are un moment de impuls: μ =mVr.

Momentul unghiular este a doua caracteristică (după energie) a unui electron și este exprimat în termeni de număr cuantic lateral (azimutal, orbital).

Numărul cuantic orbitall- determină forma norului de electroni (Fig. 7), energia electronului la subnivel, numărul de subniveluri energetice. Ia valori de la 0 la n– 1. Altele decât valorile numerice l are litere. Electroni cu aceeași valoare l formează un subnivel.

În fiecare nivel cuantic, numărul de subniveluri este strict limitat și egal cu numărul stratului. Subnivelurile, ca și nivelurile de energie, sunt numerotate în ordinea distanței lor de la nucleu (Tabelul 26).

Conform conceptelor fizicii clasice, lumina este unde electromagnetice într-un anumit interval de frecvență. Cu toate acestea, interacțiunea luminii cu materia are loc ca și cum lumina ar fi un flux de particule.

Pe vremea lui Newton, existau două ipoteze despre natura luminii - corpuscular, la care Newton a aderat și val. Dezvoltarea în continuare a tehnicii experimentale și a teoriei a făcut o alegere în favoarea teoria undelor .

Dar la începutul secolului XX. au apărut noi probleme: interacţiunea luminii cu materia nu a putut fi explicată în cadrul teoria undelor.

Când o bucată de metal este iluminată cu lumină, electronii zboară din ea ( efect fotoelectric). Era de așteptat ca viteza electronilor emiși (energia lor cinetică) să fie cu atât mai mare, cu atât mai mare era energia undei incidente (intensitatea luminii), dar s-a dovedit că viteza electronilor în general nu depinde pe intensitatea luminii, dar este determinată de frecvența (culoarea) acesteia.

Fotografia se bazează pe faptul că unele materiale se întunecă după iluminare cu lumină și tratament chimic ulterior, iar gradul de înnegrire a acestora este proporțional cu iluminarea și timpul de expunere. Dacă un strat dintr-un astfel de material (placă fotografică) este iluminat cu lumină la o anumită frecvență, atunci după dezvoltare, suprafața omogenă se va înnegri. Odată cu scăderea intensității luminii, vom obține suprafețe uniforme cu înnegriri din ce în ce mai puține (diverse nuanțe de gri). Și totul se termină cu faptul că la iluminare foarte scăzută obținem nu un grad foarte mic de înnegrire a suprafeței, ci puncte negre împrăștiate aleatoriu pe suprafață! De parcă lumina a lovit doar aceste locuri.

Caracteristicile interacțiunii luminii cu materia i-au forțat pe fizicieni să se întoarcă la teoria corpusculară.

Interacțiunea luminii cu materia are loc ca și cum lumina ar fi un flux de particule, energieși puls care sunt legate de frecvenţa luminii prin relaţii

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

Unde h este constanta lui Planck. Aceste particule sunt numite fotonii.

efect fotoelectric ar putea fi înțeles dacă s-ar lua punctul de vedere teoria corpuscularăși consideră lumina ca un flux de particule. Dar atunci apare problema, ce să faci cu alte proprietăți ale luminii, care au fost tratate de o vastă ramură a fizicii - optica pe baza faptului că lumina este o undă electromagnetică.

Situația în care fenomenele individuale sunt explicate cu ajutorul unor presupuneri speciale care nu se potrivesc unele cu altele sau chiar se contrazic unele cu altele este considerată inacceptabilă, deoarece fizica pretinde că creează o imagine unificată a lumii. Iar confirmarea validității acestei afirmații a fost doar faptul că, cu puțin timp înainte de dificultățile care au apărut în legătură cu efectul fotoelectric, optica a fost redusă la electrodinamică. Fenomene interferențăși difracţie cu siguranță nu a fost de acord cu ideile despre particule, dar unele proprietăți ale luminii sunt la fel de bine explicate din ambele puncte de vedere. O undă electromagnetică are energie și impuls, iar impulsul este proporțional cu energie. Când lumina este absorbită, aceasta își transferă impulsul, adică o forță de presiune proporțională cu intensitatea luminii acționează asupra barierei. De asemenea, fluxul de particule exercită presiune asupra barierei, iar cu o relație adecvată între energia și impulsul particulei, presiunea va fi proporțională cu intensitatea fluxului. O realizare importantă a teoriei a fost explicarea împrăștierii luminii în aer, în urma căreia a devenit clar, în special, de ce cerul este albastru. Din teoria a rezultat că frecvența luminii nu se modifică în timpul împrăștierii.

Totuși, dacă iei punctul de vedere teoria corpuscularăși luați în considerare că caracteristica luminii, care în teoria undelor este asociată cu frecvența (culoarea), în teoria corpusculară este asociată cu energia particulei, se dovedește că în timpul împrăștierii (coliziunea unui foton cu o particulă de împrăștiere) , energia fotonului împrăștiat ar trebui să scadă . Experimentele efectuate special privind împrăștierea razelor X, care corespund unor particule cu o energie cu trei ordine de mărime mai mare decât pentru lumina vizibilă, au arătat că teoria corpusculară Adevărat. Lumina ar trebui considerată un flux de particule, iar fenomenele de interferență și difracție au fost explicate în cadrul teoriei cuantice. Dar, în același timp, însuși conceptul de particule ca obiect de dimensiuni extrem de mici, care se deplasează de-a lungul unei anumite traiectorii și având o anumită viteză în fiecare punct, s-a schimbat.

Noua teorie nu anulează rezultatele corecte ale celei vechi, dar le poate schimba interpretarea. Deci, dacă în teoria undelor Culoarea este asociată cu lungimea de undă corpuscular este legat de energia particulei corespunzătoare: fotonii care provoacă senzația de roșu în ochiul nostru au mai puțină energie decât cei de albastru. material de pe site

Pentru lumină, a fost efectuat un experiment cu electroni (Experiența lui Yung-ha). Iluminarea ecranului din spatele fantelor a avut aceeași formă ca pentru electroni și această imagine interferență luminoasă, căzând pe ecran din două fante, a servit drept dovadă a naturii ondulatorii a luminii.

Problemă legată de proprietăți ondulatorii și corpusculare ale particulelor are o istorie foarte lungă. Newton credea că lumina este un flux de particule. Dar, în același timp, ipoteza despre natura ondulatorie a luminii, legată, în special, de numele de Huygens, era în circulație. Datele despre comportamentul luminii care exista la acea vreme (propagare rectilinie, reflexie, refracție și dispersie) au fost la fel de bine explicate din ambele puncte de vedere. În acest caz, desigur, nu s-a putut spune nimic cert despre natura undelor luminoase sau a particulelor.

Mai târziu însă, după descoperirea fenomenelor interferențăși difracţie lumină (începutul secolului al XIX-lea), ipoteza newtoniană a fost abandonată. Dilema „undă sau particule” pentru lumină a fost rezolvată experimental în favoarea unui val, deși natura undelor luminoase a rămas neclară. Mai mult, natura lor a devenit clară. Undele luminoase s-au dovedit a fi unde electromagnetice de anumite frecvențe, adică propagarea perturbațiilor în câmpul electromagnetic. Teoria valurilor părea să fi triumfat în sfârșit.

Pe această pagină, material pe teme:

Proprietățile valurilor. Un contemporan al lui Isaac Newton, fizicianul olandez Christian Huygens, nu a respins existența corpusculilor, ci a crezut că aceștia nu sunt emiși de corpurile luminoase, ci umplu tot spațiul. Huygens a reprezentat procesul de propagare a luminii nu ca o mișcare progresivă, ci ca un proces succesiv de transfer al impactului unui corpuscul la altul.

Susținătorii lui Huygens și-au exprimat părerea că lumina este o oscilație care se propagă într-un mediu special - „eter”, care umple întregul spațiu mondial și care pătrunde liber în toate corpurile. Excitația luminii de la o sursă de lumină este transmisă de eter în toate direcțiile.

Astfel, au apărut primele idei despre natura luminii. Valoarea principală a teoriei ondulatorii inițiale a luminii este principiul formulat inițial de Huygens și apoi dezvoltat de Fresnel. Principiul Huygens-Fresnel afirmă că fiecare rinichi, la care se ajunge prin excitație luminoasă, devine la rândul său centrul undelor secundare și le transmite în toate direcțiile către rinichii vecini.

Proprietățile de undă ale luminii se manifestă cel mai clar în fenomenele de interferență și difracție.

Interferența luminii constă în faptul că atunci când două unde sunt situate reciproc, poate apărea o creștere sau scădere a oscilațiilor. Principiul interferenței a fost descoperit în 1801 de englezul Thomas Young (1773-1829), medic de profesie. Jung a efectuat experimentul acum clasic cu două găuri. Pe ecran, două găuri distanțate strâns au fost străpunse cu vârful unui știft, care au fost iluminate de lumina soarelui dintr-o mică gaură din fereastra cu perdele. În spatele ecranului, în loc de două puncte luminoase, s-au observat o serie de inele întunecate și luminoase care se alternau.

O condiție necesară pentru observarea modelului de interferență este coerența undelor (un flux coordonat de procese oscilatorii sau ondulatorii).

Fenomenul de interferență este utilizat pe scară largă în dispozitive - interferometre, cu ajutorul cărora se efectuează diverse măsurători precise și se controlează finisarea suprafeței pieselor, precum și multe alte operațiuni de control.

În 1818, Fresnel a prezentat un raport amplu despre difracția luminii la competiția Academiei de Științe din Paris. Având în vedere acest raport, A. Poisson (1781-1840) a ajuns la concluzia că, conform teoriei propuse de Fresnel, în anumite condiții, în centrul modelului de difracție de la un obstacol rotund opac în calea luminii ar trebui să existe un punct luminos, nu o umbră. A fost o concluzie uluitoare. D.F.Arago (1786-1853) a pus imediat la cale un experiment, iar calculele lui Poisson au fost confirmate. Astfel, concluzia făcută de Poisson, care contrazicea în exterior teoria lui Fresnel, s-a transformat, cu ajutorul experimentului lui Arago, într-una dintre dovezile validității acestuia și a marcat și începutul recunoașterii naturii ondulatorii a luminii.

Fenomenul de deviere a luminii din direcția rectilinie de propagare se numește difracție.

Multe dispozitive optice se bazează pe fenomenul de difracție. În special, echipamentele cristalografice utilizează difracția de raze X.

Natura ondulatorie a luminii și natura transversală a undelor luminoase sunt, de asemenea, dovedite de fenomen polarizare. Esența polarizării este demonstrată clar printr-un experiment simplu: atunci când lumina trece prin două cristale transparente, intensitatea acesteia depinde de orientarea reciprocă a cristalelor. Cu aceeași orientare, lumina trece fără atenuare. Când unul dintre cristale este rotit cu 90°, lumina este complet stinsă, adică. nu trece prin cristale.

Natura ondulatorie a luminii este confirmată și de fenomenul de dispersie a luminii. Un fascicul paralel îngust de lumină albă, când trece printr-o prismă de sticlă, se descompune în fascicule de lumină de diferite culori. Banda de culoare se numește spectru continuu. Dependența vitezei de propagare a luminii într-un mediu de lungimea de undă se numește dispersia luminii. Dispersia a fost descoperită de I. Newton.

Descompunerea luminii albe se explică prin faptul că aceasta constă din unde electromagnetice cu lungimi de undă diferite iar indicele de refracție depinde de lungimea de undă. Cea mai mare valoare a indicelui de refracție pentru lumina cu cea mai scurtă lungime de undă este violetă, cea mai mică pentru lumina cu cea mai lungă lungime de undă este roșu. Experimentele au arătat că în vid viteza luminii este aceeași pentru lumina de orice lungime de undă.

Studiul fenomenelor de difracție, interferență, polarizare și dispersie a luminii a condus la stabilirea teoriei ondulatorii a luminii.

Proprietățile cuantice ale luminii.În 1887, G. Hertz, la iluminarea unei plăci de zinc conectată la tija unui electrometru, a descoperit fenomenul efectului fotoelectric. Dacă o sarcină pozitivă este transferată pe placă și tijă, atunci electrometrul nu se descarcă atunci când placa este iluminată. Când o sarcină electrică negativă este transmisă plăcii, electrometrul este descărcat de îndată ce radiația lovește placa. Acest experiment demonstrează că sarcinile centrice negative scapă de pe suprafața unei plăci de metal sub acțiunea luminii. Măsurătorile sarcinii și masei particulelor ejectate de lumină au arătat că aceste particule sunt electroni. Fenomenul de emisie de electroni de către o substanță sub acțiunea radiației electromagnetice se numește efect fotoelectric.

Regularitățile cantitative ale efectului fotoelectric au fost stabilite în 1888-1889. Fizicianul rus A.G. Stoletov (1839-1896).

Nu a fost posibil să se explice legile de bază ale efectului fotoelectric pe baza teoriei electromagnetice a luminii. Teoria electromagnetică a luminii nu a putut explica independența energiei fotoelectronilor de intensitatea radiației luminoase, existența marginii roșii a efectului fotoelectric, proporționalitatea energiei cinetice a fotoelectronilor cu frecvența luminii.

Teoria electromagnetică a lui Maxwell și teoria electronică a lui Lorentz, în ciuda succeselor lor enorme, au fost oarecum contradictorii și au fost întâmpinate o serie de dificultăți în aplicarea lor. Ambele teorii s-au bazat pe ipoteza eterului, doar „eterul elastic” a fost înlocuit cu „eterul electromagnetic” (teoria lui Maxwell) sau „eterul fix” (teoria lui Lorentz). Teoria lui Maxwell nu a putut explica procesele de emisie și absorbție a luminii, efectul fotoelectric, împrăștierea Compton etc. Teoria lui Lorentz, la rândul său, nu a putut explica multe fenomene asociate cu interacțiunea luminii cu materia, în special problema distribuției. de energie pe lungimi de undă în timpul radiației termice a corpului negru.

Aceste dificultăți și contradicții au fost depășite datorită ipotezei îndrăznețe prezentate în 1900 de fizicianul german M. Planck, potrivit căreia Emisia de lumină nu are loc continuu, ci discret, adică în anumite porțiuni (cuante), a căror energie este determinată de frecvența n:

Unde h este constanta lui Planck.

Teoria lui Planck nu are nevoie de conceptul de eter. Ea a explicat radiația termică a unui corp complet negru.

A. Einstein în 1905 a creat teoria cuantică a luminii: nu numai emisia de lumină, ci și propagarea acesteia are loc sub formă fluxul cuantelor de lumină - fotoni, a cărui energie este determinată de formula Planck de mai sus și impulsul

unde l este lungimea de undă.

Proprietățile cuantice ale undelor electromagnetice se manifestă cel mai pe deplin în Efectul Compton: Când radiația monocromatică de raze X este împrăștiată de o substanță cu atomi de lumină, împreună cu radiația caracterizată prin lungimea de undă inițială, în compoziția radiației împrăștiate se observă radiații cu o lungime de undă mai mare.

Ideile cuantice despre lumină sunt în acord cu legile radiației și absorbției luminii, legile interacțiunii, radiația cu materia. Fenomene atât de bine studiate, cum ar fi interferența, difracția și polarizarea luminii, sunt bine explicate în termeni de concepte de undă. Toată varietatea de proprietăți studiate și legile propagării luminii, interacțiunea ei cu materia arată că lumina are o natură complexă: este o unitate de proprietăți opuse - corpusculară (cuantică) și undă (electromagnetică). Calea lungă de dezvoltare a dus la idei moderne despre natura corpusculară duală a luminii. Expresiile de mai sus conectează caracteristicile corpusculare ale radiației - masa și energia unui cuantum - cu caracteristicile undei - frecvența oscilațiilor și lungimea de undă. În acest fel, lumina este o unitate de discretie si continuitate.

Întrebări pentru autoexaminare

Întrebarea 1. Care este sarcina cea mai importantă a științei naturii.

1. cognitive

2. viziunea asupra lumii

3. teleologice

4. crearea unei imagini din științe naturale a lumii

Întrebarea 2. Numiți cele mai generale, importante concepte fundamentale ale descrierii fizice a naturii.

1. materie

2. mişcare

3. spațiu

Întrebarea 3. Care este categoria filozofică pentru a desemna realitatea obiectivă, care este afișată de senzațiile noastre, existând independent de acestea.

1. constiinta

2. afişaj

3. materie

Proprietățile ondulatorii și corpusculare ale luminii - pagina №1/1

UNDE ȘI PROPRIETĂȚI CORPUSCULARE ALE LUMINII

© Moiseev B.M., 2004

Universitatea de Stat Kostroma
1 Maya Street, 14, Kostroma, 156001, Rusia
E-mail: [email protected] ; [email protected]

Posibilitatea de a considera lumina ca o secvență periodică de excitații a vidului fizic este dedusă logic. Ca o consecință a acestei abordări, este explicată natura fizică a undei și proprietățile corpusculare ale luminii.

O concluzie logică a posibilității de a considera lumina ca o secvență de perioadă a excitațiilor fizice de vid este dată în articol. Ca o consecință a unei astfel de abordări, natura fizică a undelor și caracteristicile corpusculare ale luminii sunt explicate aici.

Introducere

Încercările vechi de secole de a înțelege natura fizică a fenomenelor luminoase au fost întrerupte la începutul secolului al XX-lea prin introducerea proprietăților duale ale materiei în axiomatica teoriei. Lumina a început să fie considerată atât o undă, cât și o particulă în același timp. Cu toate acestea, modelul cuantic al radiației a fost construit în mod formal și încă nu există o înțelegere clară a naturii fizice a cuantumului radiației.

Această lucrare este dedicată formării de noi idei teoretice despre natura fizică a luminii, care ar trebui să explice calitativ proprietățile ondulatorii și corpusculare ale luminii. Anterior, au fost publicate principalele prevederi ale modelului dezvoltat și rezultatele obținute în cadrul acestui model:

1. Un foton este un ansamblu de excitații elementare ale vidului care se propagă în spațiu sub forma unui lanț de excitații cu o constantă relativă la viteza vidului, independent de viteza sursei de lumină. Pentru un observator, viteza fotonului depinde de viteza observatorului în raport cu vidul, modelată logic ca spațiu absolut.

2. Excitația elementară în vid este o pereche de fotoni, un dipol format din două particule încărcate (+) și (-). Dipolii se rotesc și au un moment unghiular, formând colectiv rotația fotonului. Raza de rotație a fotonilor și viteza unghiulară sunt legate de dependența Rω = const .

3. Fotonii pot fi considerați ace cilindrice lungi și subțiri. Suprafețele imaginare ale cilindrilor-ace sunt formate din traiectorii spiralate ale fotonilor. Cu cât frecvența de rotație este mai mare, cu atât acul fotonului este mai subțire. O revoluție completă a unei perechi de fotoni determină lungimea de undă în spațiu de-a lungul direcției de mișcare.

4. Energia unui foton este determinată de numărul de perechi de fotoni n într-un foton: ε = nh E, unde h E este o valoare egală cu constanta lui Planck în unități de energie .

5. Se obține valoarea cantitativă a spinului fotonului ћ. A fost efectuată o analiză a relației dintre energia și parametrii cinematici ai unui foton. Ca exemplu, se calculează parametrii cinematici ai unui foton produs de tranziția 3d2p într-un atom de hidrogen. Lungimea unui foton din partea vizibilă a spectrului este de metri.

6. Masa unei perechi de fotoni a fost calculată m 0 = 1,474 10 -53 g, care coincide în ordinea mărimii cu estimarea superioară a masei fotonului m 

7. S-a făcut o concluzie despre modificarea constantelor C și h atunci când un foton se mișcă într-un câmp gravitațional.

Din structura periodică a unui foton, motivul proprietăților undei luminii este intuitiv clar: matematica unei unde, ca proces de oscilație mecanică a unui mediu fizic, și matematica unui proces periodic de orice natură calitativă, coincid. . Lucrările oferă o explicație calitativă a proprietăților ondulatorii și corpusculare ale luminii. Acest articol continuă dezvoltarea ideilor despre natura fizică a luminii.

Proprietățile undei ale luminii

După cum sa menționat mai devreme, elementele de periodicitate asociate cu natura fizică a luminii provoacă manifestarea proprietăților undei. Manifestarea proprietăților ondulatorii luminii a fost stabilită prin numeroase observații și experimente și, prin urmare, nu poate fi pusă la îndoială. A fost dezvoltată o teorie matematică a undelor a efectului Doppler, interferenței, difracției, polarizării, dispersiei, absorbției și împrăștierii luminii. Teoria ondulatorie a luminii este legată organic de optica geometrică: în limită, ca  → 0, legile opticii pot fi formulate în limbajul geometriei.

Modelul nostru nu anulează aparatul matematic al modelului val. Scopul principal și principalul rezultat al lucrării noastre este introducerea unor astfel de modificări în axiomatica teoriei care aprofundează înțelegerea esenței fizice a fenomenului și elimină paradoxurile.

Principalul paradox al conceptelor moderne de lumină este dualitatea undă-particule (CWD). În conformitate cu legile logicii formale, lumina nu poate fi atât o undă, cât și o particulă în sensul tradițional al acestor termeni. Conceptul de undă implică un continuum, un mediu omogen în care apar perturbații periodice ale elementelor continuumului. Conceptul de particulă implică izolarea și autonomia elementelor individuale. Interpretarea fizică a HPC nu este atât de simplă.

Combinația de modele corpusculare și ondulatorii conform principiului „o undă este o perturbare a unui set de particule” ridică o obiecție, deoarece prezența proprietăților undei într-o singură particulă de lumină este considerată a fi bine stabilită. Interferența fotonilor rar zburători a fost descoperită de Janoshi, dar nu există rezultate cantitative, detalii și analize detaliate ale experimentului în cursul de pregătire. Informații despre rezultate atât de importante, fundamentale, nu sunt disponibile nici în cărțile de referință, nici în cursul de istoria fizicii. Aparent, problema naturii fizice a luminii este deja un spate profund al științei.

Să încercăm să reconstruim parametrii cantitativi ai experimentului lui Yanoshi, care sunt esențiali din punct de vedere logic pentru interpretarea rezultatelor, folosind o descriere zgârcită a experimentelor similare ale lui Biberman, Sushkin și Fabrikant cu electroni. Evident, în experimentul lui Yanoshi, modelul de interferență obținut dintr-un puls scurt de lumină de intensitate mare J B a fost comparat cu modelul obținut pe o perioadă lungă de timp dintr-un flux de fotoni slab J M. Diferența esențială dintre cele două situații luate în considerare este că în în cazul unui flux J M, interacțiunea fotonilor din instrumentul de difracție ar trebui exclusă.

Deoarece Janoshi nu a găsit nicio diferență în modelele de interferență, să vedem ce condiții sunt necesare pentru aceasta în cadrul modelului nostru.

Un foton de lungime L f = 4,5 m trece printr-un punct dat din spațiu în timp τ = L f / C = 4,5 /3ּ10 8 ≈ 1,5ּ10 –8 s. Dacă sistemul de difracție (dispozitivul) are o dimensiune de aproximativ 1 m, atunci timpul necesar pentru ca un foton să treacă prin dispozitivul de lungime L f va fi mai mare: τ' = (L f + 1) / C ≈ 1,8ּ10 –8 s.

Un observator din exterior nu poate vedea un singur fotoni. O încercare de a repara un foton îl distruge - nu există altă opțiune de a „vedea” o particulă de lumină neutră din punct de vedere electric. Experimentul folosește proprietăți medii în timp ale luminii, în special, intensitatea (energie pe unitatea de timp). Pentru ca fotonii să nu se intersecteze în cadrul dispozitivului de difracție, este necesară separarea lor în spațiu de-a lungul traiectoriei de mișcare, astfel încât timpul de trecere a dispozitivului τ' să fie mai mic decât timpul t care împarte sosirea fotonilor succesivi în instalație. , adică τ' 1,8-10 –8 s.

În experimentele cu electroni, intervalul mediu de timp dintre două particule care trec succesiv prin sistemul de difracție a fost de aproximativ 3-10 4 ori mai lung decât timpul petrecut de un electron pentru a trece prin întregul dispozitiv. Pentru particulele punctiforme, această relație este convingătoare.

Experimentul cu lumină are o diferență semnificativă față de experimentul cu electroni. Dacă unicitatea electronilor poate fi controlată datorită unei ușoare distorsiuni a energiei lor, atunci acest lucru este imposibil cu fotoni. În experimentul cu fotoni, credința în izolarea fotonilor în spațiu nu poate fi completă; statistic este posibil ca doi fotoni să sosească aproape simultan. Acest lucru poate da un model de interferență slab pe o perioadă lungă de observare.

Rezultatele experimentelor lui Yanoshi sunt incontestabile, cu toate acestea, o astfel de concluzie nu se poate face despre teoria experienței. În teorie, se postulează de fapt că modelul de interferență apare numai ca rezultat al interacțiunii particulelor între ele de pe suprafața ecranului. În cazul fluxurilor de lumină puternice și prezenței multor particule, aceasta este intuitiv cea mai probabilă cauză a interferenței, dar pentru fluxurile de lumină slabe, un alt motiv pentru apariția periodicității în iluminarea ecranului poate deveni semnificativ. Lumina își schimbă direcția atunci când interacționează cu un corp solid. Marginile fantelor, cursele grătarului de difracție și alte obstacole care provoacă difracția - aceasta este o suprafață care este departe de a fi ideală, nu numai în ceea ce privește finisarea suprafeței. Atomii stratului de suprafață sunt o structură periodică cu o perioadă comparabilă cu dimensiunea unui atom, adică periodicitatea este de ordinul angstrom. Distanța dintre perechile de fotoni din interiorul unui foton este L 0 ≈ 10 –12 cm, care este cu 4 ordine de mărime mai mică. Reflectarea perechilor de fotografii din structura periodică a suprafeței ar trebui să provoace o repetare a locurilor iluminate și neluminate de pe ecran.

Inegalitatea în direcțiile de propagare a luminii reflectate ar trebui să fie întotdeauna, atunci când este reflectată de pe orice suprafață, dar cu fluxuri de lumină puternice, doar caracteristicile medii sunt semnificative, iar acest efect nu apare. Pentru fluxuri de lumină slabe, acest lucru poate duce la iluminarea ecranului care seamănă cu interferența.

Deoarece dimensiunile unui electron sunt, de asemenea, mult mai mici decât dimensiunile structurii periodice a suprafeței corpului, pentru electroni ar trebui să existe, de asemenea, o inegalitate în direcțiile particulelor care se difractă, iar pentru fluxurile slabe de electroni acesta poate fi singurul motiv. pentru manifestarea proprietăților valurilor.

Astfel, prezența proprietăților undei în particule, fie fotoni sau electroni, poate fi explicată prin prezența proprietăților undei ale suprafeței reflectorizante sau refractive a unui instrument de difracție.

Pentru o posibilă confirmare experimentală (sau infirmare) a acestei ipoteze, pot fi prezise unele efecte.

Efectul 1

Pentru fluxurile de lumină puternice, principalul motiv pentru proprietățile de interferență ale luminii este structura periodică a luminii în sine, un foton extins. Perechile de fotoni de la diferiți fotoni fie se întăresc reciproc pe ecran atunci când faza coincide (vectori rîntre centrele fotonilor perechilor care interacționează coincid în direcție), sau slăbesc în cazul unei nepotriviri de fază (vectori rîntre centrele fotografiilor nu coincid în direcție). În acest din urmă caz, perechile de fotografii de la fotoni diferiți nu provoacă o acțiune comună simultană, dar cad în acele părți ale ecranului în care se observă o scădere a iluminării.

Dacă ecranul este o placă transparentă, atunci se poate observa următorul efect: un minim în lumină reflectată corespunde unui maxim în lumina transmisă. În locurile în care se observă un minim de iluminare în lumina reflectată, intră și lumină, dar nu se reflectă în aceste locuri, ci trece în interiorul plăcii.

Complementaritatea reciprocă a luminii reflectate și transmise prin placă în fenomenul de interferență este un fapt binecunoscut, descris în teorie de un aparat matematic formal bine dezvoltat al modelului ondulatoriu al luminii. În special, teoria introduce o pierdere a unei semi-unde în timpul reflexiei, iar aceasta „explica” diferența de fază dintre componentele transmise și reflectate.

Ceea ce este nou în modelul nostru este explicația naturii fizice a acestui fenomen. Susținem că pentru fluxurile slabe de lumină, atunci când interacțiunea fotonilor în cadrul dispozitivului de difracție este exclusă, motivul esențial al formării unui model de interferență nu va fi structura periodică a luminii în sine, ci structura periodică a suprafeței dispozitiv care provoacă difracția. În acest caz, pe suprafața ecranului nu va mai exista o interacțiune a perechilor de fotoni de la diferiți fotoni, iar interferența ar trebui să se manifeste prin faptul că în acele locuri în care lovește lumina, va exista un maxim de iluminare, în alte locuri nu va fi. În locurile cu o iluminare minimă, lumina nu va ajunge deloc, iar acest lucru poate fi verificat absența complementarității reciproce a modelului de interferență pentru lumina reflectată și transmisă.

Efectul 2

O altă posibilitate de a testa predicția luată în considerare și ipoteza noastră în ansamblu este aceea pentru fluxuri de lumină slabe, un dispozitiv de difracție realizat dintr-un alt material, care diferă printr-o densitate de suprafață diferită a atomilor, ar trebui să ofere un model de interferență diferit pentru aceeași putere de lumină. Această predicție este, de asemenea, verificabilă în principiu.

Efectul 3

Atomii suprafeței corpului reflectorizant participă la mișcarea termică, nodurile rețelei cristaline efectuează vibrații armonice. O creștere a temperaturii cristalului ar trebui să conducă la estomparea modelului de interferență în cazul fluxurilor de lumină slabe, deoarece în acest caz interferența depinde numai de structura periodică a suprafeței reflectorizante. Pentru fluxuri de lumină puternice, efectul temperaturii dispozitivului de difracție asupra modelului de interferență ar trebui să fie mai slab, deși nu este exclus, deoarece vibrațiile termice ale site-urilor rețelei cristaline ar trebui să încalce condiția de coerență pentru perechile de fotoni reflectate de la fotoni diferiți. . Această predicție este, de asemenea, verificabilă în principiu.

Proprietățile corpusculare ale luminii

În publicațiile noastre, am propus termenul de „model structural al unui foton”. Analizând astăzi o combinație de cuvinte cuprinse între ghilimele, este necesar să o recunoaștem ca fiind extrem de nereușită. Ideea este că în modelul nostru fotonul ca particulă localizată nu există. Un cuantum de energie radiantă, identificat în teoria modernă cu un foton, în modelul nostru este un set de excitații în vid, numite perechi de fotoni. Excitațiile sunt distribuite în spațiu de-a lungul direcției de mișcare. În ciuda extinderii enorme a amplorii microlumii, din cauza micșorării intervalului de timp în care un astfel de set de perechi zboară pe lângă orice microobiect sau se ciocnește cu acesta, precum și datorită inerției relative a obiectelor microlumii, quanta. pot fi absorbite complet de aceste microobiecte. Un foton cuantic este perceput ca o particulă separată numai în procesul unei astfel de interacțiuni cu micro-obiectele, atunci când efectul din interacțiunea unui micro-obiect cu fiecare pereche de fotoni poate fi acumulat, de exemplu, sub formă de excitare a învelișul de electroni a unui atom sau a unei molecule. Lumina prezintă proprietăți corpusculare în cursul unei astfel de interacțiuni, când un factor esențial, conștient de model, luat în considerare teoretic este emisia sau absorbția unei anumite cantități discrete de energie luminoasă.

Chiar și o idee formală a cuantelor de energie i-a permis lui Planck să explice caracteristicile radiației corpului negru, iar lui Einstein să înțeleagă esența efectului fotoelectric. Conceptul de porțiuni discrete de energie a ajutat la descrierea într-un mod nou a unor fenomene fizice precum presiunea luminii, reflexia luminii, dispersia - ceea ce a fost deja descris în limbajul modelului ondulatoriu. Ideea de discretitate energetică, și nu ideea de particule punctiforme-fotoni, este ceea ce este cu adevărat esențial în modelul corpuscular modern al luminii. Caracterul discret al cuantumului de energie face posibilă explicarea spectrelor atomilor și moleculelor, dar localizarea energiei cuantumului într-o particulă izolată intră în conflict cu faptul experimental că timpul de emisie și timpul de absorbție al cuantumului de energie. de un atom este destul de mare la scara microlumii - aproximativ 10–8 s. Dacă o cuantă este o particulă punctuală localizată, atunci ce se întâmplă cu această particulă într-un timp de 10–8 s? Introducerea unui foton cuantic extins în modelul fizic al luminii face posibilă înțelegerea calitativă nu numai a proceselor de emisie și absorbție, ci și a proprietăților corpusculare ale radiației în general.

Parametrii cantitativi ai fotografiilor

În modelul nostru, obiectul principal de luat în considerare sunt câteva fotografii. În comparație cu dimensiunile unui foton (dimensiunile longitudinale pentru lumina vizibilă sunt metri), excitația vidului sub forma unei perechi de fotoni poate fi considerată punctiformă (dimensiunea longitudinală este de aproximativ 10–14 m). Să cuantificăm câțiva parametri foto. Se știe că γ-quanta sunt produse în timpul anihilării unui electron și a unui pozitron. Să se nască două γ-quante. Să estimăm limita superioară a parametrilor lor cantitativi, presupunând că energia electronului și a pozitronului este egală cu energia de repaus a acestor particule:

. (1)

Numărul de perechi de fotografii care apar este:

. (2)

Sarcina totală a tuturor fotonilor (–) este –e, unde e este sarcina electronilor. Încărcarea totală a tuturor fotonilor (+) este +e. Să calculăm modulul sarcinii purtate de o fotografie:

Cl. (3)

Aproximativ, fără a ține cont de interacțiunea dinamică a sarcinilor în mișcare, putem presupune că forța centripetă a unei perechi de fotoni rotativi este forța interacțiunii lor electrostatice. Deoarece viteza liniară a sarcinilor rotative este egală cu C, obținem (în sistemul SI):

, (4)

unde m 0 / 2 \u003d h E / C 2 - masa unei fotografii. Din (4) obținem o expresie pentru raza de rotație a centrelor de sarcină a fotonilor:

m. (5)

Considerând secțiunea transversală „electrică” a unui foton ca aria unui cerc S cu raza R El, obținem:

Lucrarea oferă o formulă pentru calcularea secțiunii transversale a unui foton în cadrul QED:

, (7)

unde σ se măsoară în cm 2. Presupunând ω = 2πν, și ν = n (fără a lua în considerare dimensiunea), obținem o estimare a secțiunii transversale folosind metoda QED:

. (8)

Diferența cu estimarea noastră a secțiunii transversale a fotonului este de 6 ordine de mărime, sau aproximativ 9%. În același timp, trebuie remarcat că rezultatul nostru pentru secțiunea transversală a fotonului ~10 –65 cm 2 a fost obținut ca o estimare superioară pentru anihilarea particulelor imobile, în timp ce electronul și pozitronul real au energia de mișcare. Luând în considerare energia cinetică, secțiunea transversală ar trebui să fie mai mică, deoarece în formula (1) energia particulelor care trec în radiație va fi mai mare și, în consecință, numărul de perechi de fotoni va fi mai mare. Valoarea calculată a încărcăturii unei fotografii va fi mai mică (formula 3), prin urmare, R El (formula 5) și secțiunea transversală S (formula 6) va fi mai mică. Având în vedere acest lucru, estimarea noastră a secțiunii transversale a fotonului ar trebui să fie recunoscută ca coincide aproximativ cu estimarea QED.

Rețineți că sarcina specifică a phot coincide cu sarcina specifică a unui electron (pozitron):

. (9)

Dacă o fotografie (precum un electron) are un „miez” ipotetic în care este concentrată sarcina sa și o „blană” dintr-un vid fizic perturbat, atunci secțiunea transversală „electrică” a unei perechi de fotoni nu ar trebui să coincidă cu secțiunea transversală „mecanică”. Fie ca centrele de masă ale fotonilor să se rotească în jurul unui cerc de rază R Mex cu viteza C. Deoarece C = ωR Mex, obținem:

. (10)

Astfel, lungimea cercului de-a lungul căruia se rotesc fotocentrii de masă este egală cu lungimea de undă, ceea ce este destul de natural când vitezele de translație și rotație sunt egale în interpretarea noastră a conceptului de „lungime de undă”. Dar în acest caz, rezultă că pentru fotonii obținuți ca urmare a anihilării considerate mai sus, R Mex ≈ 3.8∙10 –13 m ≈ 10 22 ∙R El. Haina de blană a vidului perturbat, care înconjoară nucleele fotonilor, are dimensiuni gigantice în comparație cu miezul însuși.

Desigur, toate acestea sunt estimări aproximative. Orice model nou nu poate concura în acuratețe cu un model deja existent care a ajuns la zori. De exemplu, când a apărut modelul heliocentric al lui Copernic, timp de aproximativ 70 de ani s-au efectuat calcule astronomice practice în conformitate cu modelul geocentric al lui Ptolemeu, deoarece acest lucru a condus la un rezultat mai precis.

Introducerea modelelor pe o bază fundamental nouă în știință nu este doar o coliziune cu opoziția subiectivă, ci și o pierdere obiectivă a preciziei calculelor și predicțiilor. Sunt posibile și rezultate paradoxale. Raportul rezultat de ordine de ~10 22 între razele electrice și mecanice de rotație a fotonilor este nu numai neașteptat, ci și de neînțeles fizic. Singura modalitate de a înțelege cumva raportul obținut este să presupunem că rotația unei perechi de fotoni are caracter de vortex, deoarece în acest caz, dacă vitezele liniare ale componentelor la distanțe diferite de centrul de rotație sunt egale, vitezele unghiulare ale acestora. ar trebui să fie diferit.

Intuitiv, natura vortex a rotației unei structuri tridimensionale dintr-un mediu subțire - vid fizic, este chiar mai de înțeles decât ideea de rotație a unei perechi de fotoni, care amintește de rotația unui corp solid. O analiză a mișcării vortexului ar trebui să conducă în continuare la o nouă înțelegere calitativă a procesului luat în considerare.

Rezultate și concluzii

Lucrarea continuă dezvoltarea ideilor despre natura fizică a luminii. Este analizată natura fizică a dualismului unde corpusculare. Efecte fundamental verificabile sunt prezise în experimente privind interferența și difracția fluxurilor slabe de lumină. Au fost efectuate calcule cantitative ale parametrilor mecanici și electrici ai fotonilor. Se calculează secțiunea transversală a unei perechi de fotoni și se face o concluzie despre structura vortexului perechii.

Literatură

1. Moiseev B.M. Structura fotonului. - Dep. in VINITI 12.02.98, Nr 445 - B98.

2. Moiseev B.M. Masa și energia în modelul structural al fotonului. - Dep. in VINITI 01.04.98, Nr 964 - B98.

3. Moiseev B.M. Despre energia și masa totală a unui corp în stare de mișcare. - Dep. in VINITI 12.05.98, Nr 1436 - B98.

4. Moiseev B.M. Fotoni într-un câmp gravitațional. - Dep. in VINITI 27.10.99, Nr 3171 - B99.

5. Moiseev B.M. Modelarea structurii unui foton. - Kostroma: Editura KSU im. PE. Nekrasova, 2001.

5. Moiseev B.M. Microstructura fotonică // Proceedings of the Congress-2002 “Fundamental problems of natural science and technology”, partea a III-a, pp. 229–251. - Sankt Petersburg, Editura Universității de Stat din Sankt Petersburg, 2003.

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

8. Sivukhin D.V. Fizica atomică și nucleară. În 2 ore.Partea 1. Fizica atomică. – M.: Nauka, 1986.

9. Dicţionar enciclopedic fizic. În 5 volume - M .: Enciclopedia sovietică, 1960-66.

10. Fizica. Dicționar enciclopedic mare. - M .: Marea Enciclopedie Rusă, 1999.

11. Kudryavtsev P.S. Curs de istoria fizicii. - M .: Educație, 1974.

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