Ang mga unang ideya ng mga sinaunang siyentipiko tungkol sa kung ano ang liwanag ay napakawalang muwang. Mayroong ilang mga punto ng view. Ang ilan ay naniniwala na ang mga espesyal na manipis na galamay ay lumalabas sa mga mata at ang mga visual na impresyon ay lumitaw kapag sila ay nakakaramdam ng mga bagay. Ang pananaw na ito ay may malaking bilang ng mga tagasunod, kasama sina Euclid, Ptolemy at marami pang ibang mga siyentipiko at pilosopo. Ang iba, sa kabaligtaran, ay naniniwala na ang mga sinag ay ibinubuga ng isang makinang na katawan at, na umaabot sa mata ng tao, nagdadala ng imprint ng isang makinang na bagay. Ang pananaw na ito ay pinanghahawakan ni Lucretius, Democritus.

Kasabay nito, binuo ni Euclid ang batas ng rectilinear propagation ng liwanag. Sumulat siya: "Ang mga sinag na ibinubuga ng mga mata ay kumakalat sa isang tuwid na landas."

Gayunpaman, sa paglaon, na sa Middle Ages, ang gayong ideya ng likas na katangian ng liwanag ay nawawala ang kahulugan nito. Paunti-unti ang mga siyentipiko na sumusunod sa mga pananaw na ito. At sa simula ng siglo XVII. ang mga puntong ito ng pananaw ay maaaring ituring na nakalimutan na.

Noong ika-17 siglo, halos sabay-sabay, nagsimulang umunlad ang dalawang ganap na magkakaibang teorya tungkol sa kung ano ang liwanag at kung ano ang kalikasan nito.

Ang isa sa mga teoryang ito ay nauugnay sa pangalan ni Newton, at ang isa pa sa pangalan ng Huygens.

Si Newton ay sumunod sa tinatawag na corpuscular theory of light, ayon sa kung saan ang liwanag ay isang stream ng mga particle na nagmumula sa isang pinagmulan sa lahat ng direksyon (substance transfer).

Ayon sa mga ideya ni Huygens, ang liwanag ay isang stream ng mga alon na nagpapalaganap sa isang espesyal, hypothetical medium - eter, na pumupuno sa lahat ng espasyo at tumagos sa lahat ng mga katawan.

Ang parehong mga teorya ay umiral nang magkatulad sa mahabang panahon. Wala sa kanila ang maaaring manalo ng isang mapagpasyang tagumpay. Ang awtoridad lamang ni Newton ang nagpilit sa karamihan ng mga siyentipiko na bigyan ng kagustuhan ang teorya ng corpuscular. Ang mga batas ng pagpapalaganap ng liwanag na kilala sa oras na iyon mula sa karanasan ay higit pa o hindi gaanong matagumpay na naipaliwanag ng parehong mga teorya.

Sa batayan ng teorya ng corpuscular, mahirap ipaliwanag kung bakit ang mga light beam, tumatawid sa kalawakan, ay hindi kumikilos sa bawat isa sa anumang paraan. Pagkatapos ng lahat, ang mga light particle ay dapat magbanggaan at magkalat.

Ang teorya ng alon ay ipinaliwanag ito nang madali. Ang mga alon, halimbawa, sa ibabaw ng tubig, ay malayang dumadaan sa isa't isa nang walang impluwensya sa isa't isa.

Gayunpaman, ang rectilinear propagation ng liwanag, na humahantong sa pagbuo ng matalim na mga anino sa likod ng mga bagay, ay mahirap ipaliwanag batay sa teorya ng alon. Sa ilalim ng corpuscular theory, ang rectilinear propagation ng liwanag ay bunga lamang ng law of inertia.

Ang gayong walang tiyak na posisyon hinggil sa likas na katangian ng liwanag ay nagpatuloy hanggang sa simula ng ika-19 na siglo, nang natuklasan ang mga phenomena ng light diffraction (nakababalot sa liwanag sa paligid ng mga hadlang) at light interference (pagpapalakas o pagpapahina ng pag-iilaw kapag ang mga light beam ay nakapatong sa isa't isa) . Ang mga phenomena na ito ay likas na eksklusibo sa paggalaw ng alon. Imposibleng ipaliwanag ang mga ito sa tulong ng corpuscular theory. Samakatuwid, tila ang teorya ng alon ay nanalo ng isang pangwakas at kumpletong tagumpay.

Ang gayong kumpiyansa ay lalong lumakas nang ipakita ni Maxwell sa ikalawang kalahati ng ika-19 na siglo na ang liwanag ay isang espesyal na kaso ng mga electromagnetic wave. Inilatag ng gawa ni Maxwell ang mga pundasyon para sa electromagnetic theory ng liwanag.

Matapos ang eksperimentong pagtuklas ng mga electromagnetic wave ni Hertz, walang duda na ang liwanag ay kumikilos tulad ng isang alon sa panahon ng pagpapalaganap.

Gayunpaman, sa huling bahagi ng ika-19 na siglo, ang mga ideya tungkol sa likas na katangian ng liwanag ay nagsimulang magbago nang radikal. Biglang lumabas na ang tinanggihang teorya ng corpuscular ay may kaugnayan pa rin sa katotohanan.

Kapag inilabas at hinihigop, ang liwanag ay kumikilos tulad ng isang stream ng mga particle.

Ang hindi tuloy-tuloy, o, tulad ng sinasabi nila, ang mga katangian ng dami ng liwanag ay natuklasan. Ang isang hindi pangkaraniwang sitwasyon ay lumitaw: ang phenomena ng interference at diffraction ay maaari pa ring ipaliwanag sa pamamagitan ng pagsasaalang-alang sa liwanag bilang isang alon, at ang phenomena ng radiation at pagsipsip ay maaaring ipaliwanag sa pamamagitan ng pagsasaalang-alang sa liwanag bilang isang stream ng mga particle. Ang dalawang tila hindi magkatugma na mga ideya tungkol sa likas na katangian ng liwanag sa 30s ng XX siglo ay pinamamahalaang patuloy na pinagsama sa isang bagong natitirang pisikal na teorya - quantum electrodynamics.

1. Mga katangian ng alon ng liwanag

Ang pagiging nakikibahagi sa pagpapabuti ng mga teleskopyo, binigyang pansin ni Newton ang katotohanan na ang imahe na ibinigay ng lens ay may kulay sa mga gilid. Siya ay naging interesado dito at siya ang unang "nag-imbestiga sa pagkakaiba-iba ng mga sinag ng liwanag at ang mga kakaibang kulay na nagreresulta mula dito, na wala pang nakakaalam noon" (mga salita mula sa inskripsiyon sa libingan ni Newton). Ang pangunahing eksperimento ni Newton ay napakasimple. . Nahulaan ni Newton na magpadala ng isang light beam ng maliit na cross section sa isang prisma. Isang sinag ng sikat ng araw ang pumasok sa madilim na silid sa pamamagitan ng isang maliit na butas sa shutter. Nahulog sa isang glass prism, ito ay nag-refracte at nagbigay sa tapat ng dingding ng isang pahabang imahe na may iridescent na paghahalili ng mga kulay. Kasunod ng daan-daang taon na tradisyon na ang bahaghari ay itinuturing na binubuo ng pitong pangunahing kulay, tinukoy din ni Newton ang pitong kulay: lila, asul, cyan, berde, dilaw, orange at pula. Tinawag ni Newton ang rainbow strip mismo na isang spectrum.

Ang pagsasara ng butas na may pulang salamin, napansin lamang ni Newton ang isang pulang lugar sa dingding, isinara ito ng asul-asul, atbp. Ito ay sumunod mula dito na hindi ang prisma ang nagbibigay kulay sa puting liwanag, gaya ng dati nang ipinapalagay. Ang prisma ay hindi nagbabago ng kulay, ngunit nabubulok lamang ito sa mga bahaging bahagi nito. Ang puting ilaw ay may kumplikadong istraktura. Posible na makilala ang mga beam ng iba't ibang kulay mula dito, at tanging ang kanilang magkasanib na pagkilos ay nagbibigay sa amin ng impresyon ng isang puting kulay. Sa katunayan, kung gumagamit ng pangalawang prisma ay umiikot ng 180 degrees na may kaugnayan sa una. Kolektahin ang lahat ng mga sinag ng spectrum, pagkatapos ay muli kang makakuha ng puting liwanag. Kung iisa-isahin natin ang anumang bahagi ng spectrum, halimbawa, berde, at pipilitin ang liwanag na dumaan sa isa pang prisma, hindi na tayo magkakaroon ng karagdagang pagbabago sa kulay.

Ang isa pang mahalagang konklusyon na narating ni Newton ay binuo niya sa kanyang treatise sa "Optics" tulad ng sumusunod: "Ang mga light beam na naiiba sa kulay ay naiiba sa antas ng repraksyon." Ang mga violet ray ay pinaka-malakas na refracted, ang mga pula ay mas mababa kaysa sa iba. Ang pag-asa ng refractive index ng liwanag sa kulay nito ay tinatawag na dispersion (mula sa salitang Latin na Dispergo, I scatter).

Pinahusay pa ni Newton ang kanyang mga obserbasyon sa spectrum upang makakuha ng mas dalisay na mga kulay. Pagkatapos ng lahat, ang mga bilog na kulay na mga spot ng light beam na dumaan sa prisma ay bahagyang nag-overlap sa bawat isa. Sa halip na isang bilog na butas, isang makitid na hiwa (A) ang ginamit, na iluminado ng isang maliwanag na pinagmulan. Sa likod ng hiwa ay isang lens (B) na gumawa ng isang imahe sa screen (D) sa anyo ng isang makitid na puting guhit. Kung ang isang prisma (C) ay inilalagay sa landas ng mga sinag, kung gayon ang imahe ng slit ay iuunat sa isang spectrum, isang kulay na strip, ang mga paglipat ng kulay kung saan mula pula hanggang lila ay katulad ng mga naobserbahan sa isang bahaghari. Ang karanasan ni Newton ay ipinapakita sa Fig. 1

Kung tinakpan mo ang puwang na may kulay na salamin, i.e. Kung ididirekta mo ang may kulay na liwanag sa isang prisma sa halip na puting liwanag, ang imahe ng slit ay mababawasan sa isang may kulay na parihaba na matatagpuan sa kaukulang lugar sa spectrum, i.e. depende sa kulay, ang liwanag ay lilihis sa iba't ibang mga anggulo mula sa orihinal na imahe. Ang inilarawan na obserbasyon ay nagpapakita na ang mga sinag ng iba't ibang kulay ay naiiba sa pag-refracte ng isang prisma.

Napatunayan ni Newton ang mahalagang konklusyong ito sa pamamagitan ng maraming eksperimento. Ang pinakamahalaga sa kanila ay binubuo sa pagtukoy ng refractive index ng mga sinag ng iba't ibang kulay na nakuha mula sa spectrum. Para sa layuning ito, isang butas ang pinutol sa screen kung saan nakuha ang spectrum; sa pamamagitan ng paglipat ng screen, posible na maglabas ng isang makitid na sinag ng mga sinag ng isang kulay o iba pa sa pamamagitan ng butas. Ang pamamaraang ito ng pag-highlight ng mga homogenous na ray ay mas perpekto kaysa sa pag-highlight na may kulay na salamin. Ipinakita ng mga eksperimento na ang naturang napiling sinag, na na-refracte sa pangalawang prisma, ay hindi na umaabot sa strip. Ang nasabing beam ay tumutugma sa isang tiyak na refractive index, ang halaga nito ay depende sa kulay ng napiling beam.

Kaya, ang mga pangunahing eksperimento ni Newton ay naglalaman ng dalawang mahahalagang pagtuklas:

1. Ang liwanag ng iba't ibang kulay ay nailalarawan sa pamamagitan ng iba't ibang mga indeks ng repraktibo sa isang partikular na sangkap (dispersion).

2. Ang puti ay isang koleksyon ng mga simpleng kulay.

Alam na ang puting liwanag ay may isang kumplikadong istraktura, ang isa ay maaaring ipaliwanag ang kamangha-manghang iba't ibang mga kulay sa kalikasan. Kung ang isang bagay, halimbawa, isang sheet ng papel, ay sumasalamin sa lahat ng mga sinag ng iba't ibang kulay na bumabagsak dito, pagkatapos ay lilitaw itong puti. Sa pamamagitan ng pagtakip sa papel ng isang layer ng pintura, hindi kami lumilikha ng liwanag ng isang bagong kulay, ngunit pinapanatili ang ilan sa mga umiiral na liwanag sa sheet. Ang mga pulang sinag lamang ang makikita ngayon, ang natitira ay maa-absorb ng isang layer ng pintura. Ang mga dahon ng damo at puno ay lumilitaw na berde sa amin dahil sa lahat ng sinag ng araw na bumabagsak sa kanila, ang mga ito ay sumasalamin lamang sa mga berde, na sumisipsip sa natitira. Kung titingnan mo ang damo sa pamamagitan ng pulang salamin, na nagpapadala lamang ng mga pulang sinag, ito ay lilitaw na halos itim.

Alam na natin ngayon na ang iba't ibang kulay ay tumutugma sa iba't ibang wavelength ng liwanag. Samakatuwid, ang unang pagtuklas ni Newton ay maaaring mabalangkas tulad ng sumusunod: ang refractive index ng matter ay nakasalalay sa wavelength ng liwanag. Karaniwan itong tumataas habang bumababa ang wavelength.

Ang panghihimasok ng liwanag ay naobserbahan sa napakatagal na panahon, ngunit hindi nila ito namalayan. Marami ang nakakita ng interference pattern noong sila ay naglilibang sa paghihip ng mga bula ng sabon noong bata pa o napanood ang iridescent na pag-apaw ng mga kulay ng manipis na pelikula ng kerosene sa ibabaw ng tubig. Ito ay ang interference ng liwanag na gumagawa ng sabon bubble kaya kahanga-hanga.

Ang katangian ng estado ng mga electron sa isang atom ay batay sa posisyon ng quantum mechanics tungkol sa dalawahang katangian ng isang electron, na sabay na may mga katangian ng isang particle at isang alon.

Sa unang pagkakataon, itinatag ang dual corpuscular-wave na kalikasan para sa liwanag. Ang mga pag-aaral ng isang bilang ng mga phenomena (radiation mula sa mga incandescent body, ang photoelectric effect, atomic spectra) ay humantong sa konklusyon na ang enerhiya ay ibinubuga at hinihigop hindi tuloy-tuloy, ngunit discretely, sa magkahiwalay na mga bahagi (quanta). Ang pagpapalagay ng quantization ng enerhiya ay unang ginawa ni Max Planck (1900) at pinatunayan ni Albert Einstein (1905): ang quantum energy (∆E) ay nakasalalay sa dalas ng radiation (ν):

∆Е = hν, kung saan ang h = 6.63 10 -34 J s ay ang pare-pareho ng Planck.

Itinutumbas ang enerhiya ng isang photon hν sa kabuuang reserba ng enerhiya nito mс 2 at, isinasaalang-alang na ν=с/λ, nakakakuha tayo ng isang relasyon na nagpapahayag ng relasyon sa pagitan ng wave at corpuscular na katangian ng isang photon:

Noong 1924 Louis de Broglie iminungkahi na ang dual corpuscular-wave na kalikasan ay likas hindi lamang sa radiation, kundi pati na rin sa anumang materyal na particle: ang bawat particle na may mass (m) at gumagalaw sa bilis (υ) ay tumutugma sa isang proseso ng alon na may wavelength λ:

λ = h / mυ(55)

Mas maliit ang particle mass, mas mahaba ang wavelength. Samakatuwid, mahirap tuklasin ang mga katangian ng alon ng macroparticle.

Noong 1927, ang mga Amerikanong siyentipiko na sina Davisson at Germer, ang Englishman na si Thomson at ang Sobyet na siyentipiko na si Tartakovskii ay nakapag-iisa na natuklasan ang electron diffraction, na isang eksperimentong kumpirmasyon ng mga katangian ng alon ng mga electron. Nang maglaon, natuklasan ang diffraction (interference) ng α-particles, neutrons, protons, atoms at maging molecules. Sa kasalukuyan, ang electron diffraction ay ginagamit upang pag-aralan ang istruktura ng bagay.

Ang mga katangian ng alon ng elementarya na mga particle ay naglalaman ng isa sa mga prinsipyo ng wave mechanics: prinsipyo ng kawalan ng katiyakan (W. Heisenberg 1925): para sa maliliit na katawan sa isang atomic scale, imposibleng sabay na tumpak na matukoy ang posisyon ng isang particle sa kalawakan at ang bilis nito (momentum). Ang mas tiyak na mga coordinate ng isang particle ay natutukoy, ang mas tiyak na bilis nito ay nagiging, at vice versa. Ang kaugnayan ng kawalan ng katiyakan ay may anyo:

kung saan ang ∆x ay ang kawalan ng katiyakan ng posisyon ng particle, ang ∆Р x ay ang kawalan ng katiyakan ng magnitude ng momentum o bilis sa direksyon ng x. Ang mga katulad na relasyon ay isinulat din para sa y at z coordinate. Ang halaga ℏ kasama sa uncertainty relation ay napakaliit, samakatuwid, para sa mga macroparticle, ang mga kawalan ng katiyakan sa mga halaga ng mga coordinate at momenta ay bale-wala.

Samakatuwid, imposibleng kalkulahin ang tilapon ng elektron sa larangan ng nucleus; maaari lamang tantiyahin ng isa ang posibilidad ng pagkakaroon nito sa atom gamit ang function ng alon ψ, na pumapalit sa klasikal na paniwala ng isang tilapon. Ang wave function na ψ ay nagpapakilala sa wave amplitude depende sa mga coordinate ng electron, at ang parisukat nito na ψ 2 ay tumutukoy sa spatial distribution ng electron sa atom. Sa pinakasimpleng bersyon, ang wave function ay nakasalalay sa tatlong spatial coordinates at ginagawang posible upang matukoy ang posibilidad ng paghahanap ng isang electron sa atomic space o nito. orbital . kaya, atomic orbital (AO) ay isang rehiyon ng atomic space kung saan ang posibilidad na makahanap ng isang electron ay pinakamalaki.

Nakukuha ang mga function ng wave sa pamamagitan ng paglutas ng pangunahing kaugnayan ng wave mechanics - mga equationSchrödinger (1926) :

(57)

kung saan ang h ay ang pare-pareho ng Planck, ay isang variable, ang U ay ang potensyal na enerhiya ng particle, E ay ang kabuuang enerhiya ng particle, x, y, z, ay ang mga coordinate.

Kaya, ang quantization ng enerhiya ng isang microsystem ay sumusunod nang direkta mula sa solusyon ng wave equation. Ang function ng wave ay ganap na nagpapakilala sa estado ng elektron.

Ang wave function ng isang system ay isang function ng estado ng system, ang parisukat nito ay katumbas ng probability density ng paghahanap ng mga electron sa bawat punto sa espasyo. Dapat itong matugunan ang mga karaniwang kundisyon: maging tuluy-tuloy, may hangganan, iisa ang halaga, maglaho kung saan walang elektron.

Ang isang eksaktong solusyon ay nakuha para sa isang hydrogen atom o hydrogen-like ions; para sa maraming-electron system, iba't ibang approximation ang ginagamit. Ang ibabaw na naglilimita sa 90-95% ng posibilidad na makahanap ng isang electron o density ng elektron ay tinatawag na hangganan. Ang atomic orbital at ang electron cloud density ay may parehong boundary surface (hugis) at parehong spatial orientation. Ang atomic orbitals ng isang electron, ang kanilang enerhiya at direksyon sa espasyo ay nakasalalay sa apat na mga parameter - quantum number : pangunahing, orbital, magnetic at spin. Ang unang tatlo ay nagpapakilala sa paggalaw ng isang elektron sa espasyo, at ang ikaapat - sa paligid ng sarili nitong axis.

Quantum numbern – ang pangunahing bagay . Tinutukoy nito ang antas ng enerhiya ng isang electron sa isang atom, ang distansya ng antas mula sa nucleus, at ang laki ng electron cloud. Ito ay tumatagal ng mga halaga ng integer mula 1 hanggang ∞ at tumutugma sa numero ng panahon. Mula sa periodic system para sa anumang elemento, sa bilang ng panahon, matutukoy mo ang bilang ng mga antas ng enerhiya ng atom, at kung aling antas ng enerhiya ang panlabas. Ang higit pa n, mas malaki ang enerhiya ng pakikipag-ugnayan ng electron sa nucleus. Sa n= 1 hydrogen atom ay nasa ground state, sa n> 1 - sa nasasabik. Kung ang n∞, pagkatapos ay umalis ang electron sa atomic volume. Ang atom ay ionized.

Halimbawa, ang elementong cadmium Cd ay matatagpuan sa ikalimang yugto, kaya n=5. Sa atom nito, ang mga electron ay ipinamamahagi sa limang antas ng enerhiya (n = 1, n = 2, n = 3, n = 4, n = 5); ang ikalimang antas ay magiging panlabas (n = 5).

Dahil ang elektron, kasama ang mga katangian ng isang alon, ay may mga katangian ng isang materyal na particle, ito, na may mass m, isang bilis ng paggalaw V, at nasa layo mula sa nucleus r, ay may isang sandali ng momentum: μ =mVr.

Ang angular momentum ay ang pangalawa (pagkatapos ng enerhiya) na katangian ng isang electron at ipinahayag sa mga tuntunin ng isang side (azimuthal, orbital) quantum number.

Orbital quantum numberl- tinutukoy ang hugis ng electron cloud (Fig. 7), ang enerhiya ng electron sa sublevel, ang bilang ng mga sublevel ng enerhiya. Kinukuha ang mga halaga mula 0 hanggang n– 1. Maliban sa mga numerong halaga l may mga titik. Mga electron na may parehong halaga l bumuo ng isang sublevel.

Sa bawat antas ng quantum, ang bilang ng mga sublevel ay mahigpit na limitado at katumbas ng bilang ng layer. Ang mga sublevel, tulad ng mga antas ng enerhiya, ay binibilang sa pagkakasunud-sunod ng kanilang distansya mula sa nucleus (Talahanayan 26).

Ayon sa mga konsepto ng klasikal na pisika, ang ilaw ay mga electromagnetic wave sa isang tiyak na saklaw ng dalas. Gayunpaman, ang pakikipag-ugnayan ng liwanag sa bagay ay nangyayari na parang ang liwanag ay isang stream ng mga particle.

Sa panahon ni Newton, mayroong dalawang hypotheses tungkol sa kalikasan ng liwanag - corpuscular, na sinunod ni Newton, at kumaway. Ang karagdagang pag-unlad ng eksperimental na pamamaraan at teorya ay gumawa ng isang pagpipilian pabor sa teorya ng alon .

Ngunit sa simula ng XX siglo. lumitaw ang mga bagong problema: ang pakikipag-ugnayan ng liwanag sa bagay ay hindi maipaliwanag sa loob ng balangkas ng teorya ng alon.

Kapag ang isang piraso ng metal ay pinaliwanagan ng liwanag, lumilipad ang mga electron mula rito ( epekto ng photoelectric). Inaasahan na ang bilis ng mga ibinubuga na electron (ang kanilang kinetic energy) ay magiging mas malaki, mas malaki ang enerhiya ng insidente na alon (ang intensity ng liwanag), ngunit ito ay lumabas na ang bilis ng mga electron sa pangkalahatan ay hindi nakasalalay. sa intensity ng liwanag, ngunit tinutukoy ng dalas nito (kulay) .

Ang potograpiya ay batay sa katotohanan na ang ilang mga materyales ay nagpapadilim pagkatapos ng pag-iilaw na may liwanag at kasunod na kemikal na paggamot, at ang antas ng kanilang pag-itim ay proporsyonal sa pag-iilaw at oras ng pagkakalantad. Kung ang isang layer ng naturang materyal (photographic plate) ay iluminado ng liwanag sa isang tiyak na dalas, pagkatapos pagkatapos ng pag-unlad, ang homogenous na ibabaw ay magiging itim. Sa pagbaba ng intensity ng liwanag, makakakuha tayo ng magkakatulad na mga ibabaw na may mas kaunting pag-itim (iba't ibang kulay ng kulay abo). At ang lahat ay nagtatapos sa katotohanan na sa napakababang pag-iilaw nakakakuha tayo ng hindi napakaliit na antas ng pag-itim ng ibabaw, ngunit ang mga itim na tuldok na random na nakakalat sa ibabaw! Para bang ang mga lugar na ito lang ang tumatama sa liwanag.

Ang mga tampok ng pakikipag-ugnayan ng liwanag sa bagay ay pinilit na bumalik sa mga pisiko teorya ng corpuscular.

Ang pakikipag-ugnayan ng liwanag sa bagay ay nangyayari na parang ang liwanag ay isang stream ng mga particle, enerhiya at pulso na nauugnay sa dalas ng liwanag ng mga relasyon

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

saan h ay ang pare-pareho ni Planck. Ang mga particle na ito ay tinatawag mga photon.

epekto ng photoelectric maiintindihan kung ang isa ay kukuha ng punto de bista teorya ng corpuscular at isaalang-alang ang liwanag bilang isang stream ng mga particle. Ngunit pagkatapos ay lumitaw ang problema, kung ano ang gagawin sa iba pang mga katangian ng liwanag, na hinarap ng isang malawak na sangay ng pisika - optika batay sa katotohanan na ang ilaw ay isang electromagnetic wave.

Ang sitwasyon kung saan ang mga indibidwal na phenomena ay ipinaliwanag gamit ang mga espesyal na pagpapalagay na hindi naaayon sa isa't isa o kahit na sumasalungat sa isa't isa ay itinuturing na hindi katanggap-tanggap, dahil ang physics ay nagsasabing lumikha ng isang pinag-isang larawan ng mundo. At ang kumpirmasyon ng bisa ng claim na ito ay ang katotohanan lamang na sa ilang sandali bago ang mga paghihirap na lumitaw na may kaugnayan sa photoelectric effect, ang mga optika ay nabawasan sa electrodynamics. Kababalaghan panghihimasok at diffraction tiyak na hindi sumang-ayon sa mga ideya tungkol sa mga particle, ngunit ang ilang mga katangian ng liwanag ay pantay na ipinaliwanag mula sa parehong mga punto ng view. Ang isang electromagnetic wave ay may enerhiya at momentum, at ang momentum ay proporsyonal sa enerhiya. Kapag ang liwanag ay hinihigop, inililipat nito ang momentum nito, ibig sabihin, isang puwersa ng presyon na proporsyonal sa intensity ng liwanag na kumikilos sa hadlang. Ang daloy ng mga particle ay nagbibigay din ng presyon sa hadlang, at may angkop na relasyon sa pagitan ng enerhiya at momentum ng particle, ang presyon ay magiging proporsyonal sa intensity ng daloy. Ang isang mahalagang tagumpay ng teorya ay ang paliwanag ng pagkalat ng liwanag sa hangin, bilang isang resulta kung saan naging malinaw, lalo na, kung bakit ang langit ay asul. Sinundan ito mula sa teorya na ang dalas ng liwanag ay hindi nagbabago sa panahon ng scattering.

Gayunpaman, kung kukunin mo ang punto ng view teorya ng corpuscular at isaalang-alang na ang katangian ng liwanag, na sa teorya ng alon ay nauugnay sa dalas (kulay), sa teorya ng corpuscular ay nauugnay sa enerhiya ng particle, lumalabas na sa panahon ng scattering (bangga ng isang photon na may scattering particle) , ang enerhiya ng nakakalat na photon ay dapat bumaba. Espesyal na isinagawa ang mga eksperimento sa scattering ng X-ray, na tumutugma sa mga particle na may enerhiya na tatlong order ng magnitude na mas mataas kaysa sa nakikitang liwanag, ay nagpakita na teorya ng corpuscular totoo. Ang liwanag ay dapat ituring na isang stream ng mga particle, at ang phenomena ng interference at diffraction ay ipinaliwanag sa loob ng framework ng quantum theory. Ngunit sa parehong oras, ang mismong konsepto ng isang butil bilang isang bagay na may nawawalang maliit na sukat, na gumagalaw sa isang tiyak na tilapon at may isang tiyak na bilis sa bawat punto, ay nagbago din.

Hindi kinansela ng bagong teorya ang mga tamang resulta ng luma, ngunit maaari nitong baguhin ang kanilang interpretasyon. Kaya, kung nasa teorya ng alon Ang kulay ay nauugnay sa wavelength corpuscular ito ay nauugnay sa enerhiya ng kaukulang particle: ang mga photon na nagdudulot ng sensasyon ng pula sa ating mata ay may mas kaunting enerhiya kaysa sa asul. materyal mula sa site

Para sa liwanag, isang eksperimento ang isinagawa gamit ang mga electron (Yung-ha's experience). Ang pag-iilaw ng screen sa likod ng mga slits ay may parehong anyo tulad ng para sa mga electron, at ang larawang ito liwanag na pagkagambala, nahuhulog sa screen mula sa dalawang slits, nagsilbing patunay ng wave nature ng liwanag.

Problema na nauugnay sa wave at corpuscular properties ng mga particle ay may napakahabang kasaysayan. Naniniwala si Newton na ang liwanag ay isang stream ng mga particle. Ngunit sa parehong oras, ang hypothesis tungkol sa likas na alon ng liwanag, na nauugnay, sa partikular, sa pangalan ng Huygens, ay nasa sirkulasyon. Ang data sa pag-uugali ng liwanag na umiiral sa oras na iyon (rectilinear propagation, reflection, refraction at dispersion) ay pantay na mahusay na ipinaliwanag mula sa parehong mga punto ng view. Sa kasong ito, siyempre, walang tiyak na masasabi tungkol sa likas na katangian ng mga light wave o particle.

Nang maglaon, gayunpaman, pagkatapos ng pagtuklas ng mga phenomena panghihimasok at diffraction liwanag (simula ng ika-19 na siglo), ang Newtonian hypothesis ay inabandona. Ang dilemma ng "wave o particle" para sa liwanag ay eksperimento na nalutas pabor sa isang alon, bagaman ang likas na katangian ng mga light wave ay nanatiling hindi malinaw. Dagdag pa, naging malinaw ang kanilang kalikasan. Ang mga ilaw na alon ay naging mga electromagnetic wave ng ilang mga frequency, i.e., ang pagpapalaganap ng mga kaguluhan sa electromagnetic field. Ang teorya ng alon ay tila sa wakas ay nagtagumpay.

Sa pahinang ito, materyal sa mga paksa:

Mga katangian ng alon. Ang isang kontemporaryo ni Isaac Newton, ang Dutch physicist na si Christian Huygens, ay hindi tinanggihan ang pagkakaroon ng mga corpuscles, ngunit naniniwala na ang mga ito ay hindi ibinubuga ng mga makinang na katawan, ngunit punan ang lahat ng espasyo. Kinakatawan ng Huygens ang proseso ng light propagation hindi bilang isang pasulong na paggalaw, ngunit bilang isang sunud-sunod na proseso ng paglilipat ng epekto ng isang corpuscle sa isa pa.

Ang mga tagasuporta ng Huygens ay nagpahayag ng opinyon na ang liwanag ay isang nagpapalaganap na oscillation sa isang espesyal na daluyan - "ether", na pumupuno sa buong espasyo ng mundo at malayang tumagos sa lahat ng mga katawan. Ang light excitation mula sa isang light source ay ipinapadala ng ether sa lahat ng direksyon.

Kaya, ang mga unang ideya ng alon tungkol sa likas na katangian ng liwanag ay lumitaw. Ang pangunahing halaga ng paunang wave theory ng liwanag ay ang prinsipyong orihinal na binuo ni Huygens at pagkatapos ay binuo ni Fresnel. Ang prinsipyo ng Huygens-Fresnel ay nagsasaad na ang bawat bato, na naaabot ng magaan na paggulo, ay nagiging sentro ng pangalawang alon at nagpapadala ng mga ito sa lahat ng direksyon sa mga kalapit na bato.

Ang mga katangian ng alon ng liwanag ay pinaka-malinaw na ipinakita sa mga phenomena ng interference at diffraction.

Ang interference ng liwanag ay nakasalalay sa katotohanan na kapag ang dalawang alon ay kapwa matatagpuan, ang mga oscillation ay maaaring palakasin o humina. Ang prinsipyo ng interference ay natuklasan noong 1801 ng Englishman na si Thomas Young (1773-1829), isang propesyon na manggagamot. Ginawa ni Jung ang ngayon ay klasikong eksperimento na may dalawang butas. Sa screen, dalawang butas na malapit ang pagitan ay tinusok ng dulo ng isang pin, na naliliwanagan ng sikat ng araw mula sa isang maliit na butas sa bintanang natatabingan. Sa likod ng screen, sa halip na dalawang maliwanag na spot, isang serye ng mga alternating dark at light ring ang naobserbahan.

Ang isang kinakailangang kondisyon para sa pagmamasid sa pattern ng interference ay ang pagkakaugnay ng mga alon (isang coordinated na daloy ng oscillatory o mga proseso ng alon).

Ang kababalaghan ng panghihimasok ay malawakang ginagamit sa mga aparato - mga interferometer, sa tulong kung saan ang iba't ibang mga tumpak na sukat ay isinasagawa at ang ibabaw na pagtatapos ng mga bahagi ay kinokontrol, pati na rin ang maraming iba pang mga operasyon ng kontrol.

Noong 1818, nagsumite si Fresnel ng malawak na ulat tungkol sa diffraction ng liwanag sa kompetisyon ng Paris Academy of Sciences. Isinasaalang-alang ang ulat na ito, si A. Poisson (1781-1840) ay dumating sa konklusyon na ayon sa teorya na iminungkahi ni Fresnel, sa ilalim ng ilang mga kundisyon, sa gitna ng pattern ng diffraction mula sa isang opaque round obstacle sa landas ng liwanag ay dapat mayroong isang maliwanag na lugar, hindi anino. Ito ay isang nakamamanghang konklusyon. Ang D.F.Arago (1786-1853) ay agad na nag-set up ng isang eksperimento, at ang mga kalkulasyon ni Poisson ay nakumpirma. Kaya, ang konklusyon na ginawa ni Poisson, na panlabas na sumasalungat sa teorya ni Fresnel, ay naging isa sa mga patunay ng bisa nito, sa tulong ng eksperimento ni Arago, at minarkahan din ang simula ng pagkilala sa likas na alon ng liwanag.

Ang phenomenon ng light deflection mula sa rectilinear na direksyon ng propagation ay tinatawag na diffraction.

Maraming optical device ang nakabatay sa phenomenon ng diffraction. Sa partikular, ang crystallographic na kagamitan ay gumagamit ng X-ray diffraction.

Ang likas na alon ng liwanag at ang transverse na katangian ng mga liwanag na alon ay pinatunayan din ng hindi pangkaraniwang bagay polariseysyon. Ang kakanyahan ng polariseysyon ay malinaw na ipinakita sa pamamagitan ng isang simpleng eksperimento: kapag ang liwanag ay dumaan sa dalawang transparent na kristal, ang intensity nito ay nakasalalay sa magkaparehong oryentasyon ng mga kristal. Sa parehong oryentasyon, ang liwanag ay pumasa nang walang pagpapalambing. Kapag ang isa sa mga kristal ay pinaikot ng 90 °, ang liwanag ay ganap na pinapatay, i.e. hindi dumadaan sa mga kristal.

Ang likas na alon ng liwanag ay kinumpirma din ng hindi pangkaraniwang bagay ng pagpapakalat ng liwanag. Ang isang makitid na parallel beam ng puting liwanag, kapag dumadaan sa isang glass prism, ay nabubulok sa mga beam ng liwanag na may iba't ibang kulay. Ang color band ay tinatawag na tuloy-tuloy na spectrum. Ang pag-asa ng bilis ng pagpapalaganap ng liwanag sa isang daluyan sa haba ng daluyong ay tinatawag na pagpapakalat ng liwanag. Ang pagpapakalat ay natuklasan ni I. Newton.

Ang agnas ng puting liwanag ay ipinaliwanag sa pamamagitan ng katotohanan na ito ay binubuo ng mga electromagnetic wave na may iba't ibang wavelength at ang refractive index ay nakasalalay sa wavelength. Ang pinakamataas na halaga ng refractive index para sa liwanag na may pinakamaikling wavelength ay violet, ang pinakamababa para sa pinakamahabang wavelength na ilaw ay pula. Ipinakita ng mga eksperimento na sa isang vacuum ang bilis ng liwanag ay pareho para sa liwanag ng anumang wavelength.

Ang pag-aaral ng phenomena ng diffraction, interference, polarization at dispersion ng liwanag ay humantong sa pagtatatag ng wave theory of light.

Quantum properties ng liwanag. Noong 1887, natuklasan ni G. Hertz, kapag nag-iilaw ng zinc plate na konektado sa baras ng isang electrometer, ang phenomenon ng photoelectric effect. Kung ang isang positibong singil ay inilipat sa plato at baras, kung gayon ang electrometer ay hindi naglalabas kapag ang plato ay naiilaw. Kapag ang isang negatibong singil ng kuryente ay ibinibigay sa plato, ang electrometer ay ilalabas sa sandaling tumama ang radiation sa plato. Ang eksperimentong ito ay nagpapatunay na ang mga negatibong sentrik na singil ay tumakas mula sa ibabaw ng isang metal plate sa ilalim ng pagkilos ng liwanag. Ang mga sukat ng singil at masa ng mga particle na inilabas ng liwanag ay nagpakita na ang mga particle na ito ay mga electron. Ang kababalaghan ng paglabas ng mga electron sa pamamagitan ng isang sangkap sa ilalim ng pagkilos ng electromagnetic radiation ay tinatawag na photoelectric effect.

Ang quantitative regularities ng photoelectric effect ay itinatag noong 1888-1889. Ang Russian physicist na si A.G. Stoletov (1839-1896).

Hindi posible na ipaliwanag ang mga pangunahing batas ng photoelectric effect sa batayan ng electromagnetic theory ng liwanag. Ang electromagnetic theory ng liwanag ay hindi maipaliwanag ang kalayaan ng enerhiya ng photoelectrons mula sa intensity ng light radiation, ang pagkakaroon ng pulang hangganan ng photoelectric effect, ang proporsyonalidad ng kinetic energy ng photoelectrons sa dalas ng liwanag.

Ang electromagnetic theory ng Maxwell at ang electronic theory ni Lorentz, sa kabila ng kanilang napakalaking tagumpay, ay medyo magkasalungat at ilang mga paghihirap ang naranasan sa kanilang aplikasyon. Ang parehong mga teorya ay batay sa hypothesis ng eter, tanging ang "elastic ether" lamang ang pinalitan ng "electromagnetic ether" (teorya ni Maxwell) o "fixed ether" (teorya ni Lorentz). Hindi maipaliwanag ng teorya ni Maxwell ang mga proseso ng emission at absorption ng liwanag, ang photoelectric effect, Compton scattering, at iba pa. ng enerhiya sa mga wavelength sa panahon ng thermal blackbody radiation.

Ang mga paghihirap at kontradiksyon na ito ay nalampasan salamat sa matapang na hypothesis na iniharap noong 1900 ng German physicist na si M. Planck, ayon sa kung saan Ang paglabas ng liwanag ay hindi nangyayari nang tuluy-tuloy, ngunit discretely, ibig sabihin, sa ilang bahagi (quanta), ang enerhiya nito ay tinutukoy ng dalas n:

saan h ay pare-pareho ni Planck.

Hindi kailangan ng teorya ni Planck ang konsepto ng aether. Ipinaliwanag niya ang thermal radiation ng isang ganap na itim na katawan.

A. Nilikha si Einstein noong 1905 quantum theory of light: hindi lamang ang paglabas ng liwanag, kundi pati na rin ang pagpapalaganap nito ay nangyayari sa anyo flux ng light quanta - mga photon, ang enerhiya nito ay natutukoy ng formula sa itaas ng Planck, at ang momentum

kung saan ang l ay ang wavelength.

Ang mga katangian ng quantum ng mga electromagnetic wave ay pinaka ganap na ipinakita sa Compton effect: Kapag ang monochromatic X-ray radiation ay nakakalat ng isang sangkap na may mga light atom, sa komposisyon ng nakakalat na radiation, kasama ang radiation na nailalarawan sa paunang wavelength, ang radiation na may mas mahabang wavelength ay sinusunod.

Ang mga ideya sa dami tungkol sa liwanag ay mahusay na sumasang-ayon sa mga batas ng radiation at pagsipsip ng liwanag, ang mga batas ng pakikipag-ugnayan, radiation sa bagay. Ang gayong mahusay na pinag-aralan na mga phenomena tulad ng interference, diffraction at polarization ng liwanag ay mahusay na ipinaliwanag sa mga tuntunin ng mga konsepto ng alon. Ang lahat ng iba't ibang pinag-aralan na mga katangian at mga batas ng pagpapalaganap ng liwanag, ang pakikipag-ugnayan nito sa bagay ay nagpapakita na Ang ilaw ay may kumplikadong kalikasan: ito ay isang pagkakaisa ng magkasalungat na katangian - corpuscular (quantum) at wave (electromagnetic). Ang mahabang landas ng pag-unlad ay humantong sa modernong ideya tungkol sa dual corpuscular-wave na kalikasan ng liwanag. Ang mga expression sa itaas ay nagkokonekta sa mga corpuscular na katangian ng radiation - ang masa at enerhiya ng isang quantum - sa mga katangian ng wave - ang dalas ng mga oscillations at ang wavelength. kaya, ang liwanag ay isang pagkakaisa ng discreteness at continuity.

Mga tanong para sa pagsusuri sa sarili

Tanong 1. Ano ang pinakamahalagang gawain ng natural na agham.

1. nagbibigay-malay

2. pananaw sa mundo

3. teleolohikal

4. paglikha ng natural-science na larawan ng mundo

Tanong 2. Pangalanan ang pinakapangkalahatan, mahahalagang pangunahing konsepto ng pisikal na paglalarawan ng kalikasan.

1. bagay

2. paggalaw

3. espasyo

Tanong 3. Ano ang pilosopikal na kategorya upang tukuyin ang layunin na katotohanan, na ipinapakita ng ating mga sensasyon, na umiiral nang malaya sa kanila.

1. kamalayan

2. pagpapakita

3. bagay

Mga katangian ng alon at corpuscular ng liwanag - pahina №1/1

WAVE AT CORPUSCULAR PROPERTIES NG LIWANAG

© Moiseev B.M., 2004

Kostroma State University
1 Maya Street, 14, Kostroma, 156001, Russia
Email: [email protected] ; [email protected]

Ang posibilidad na isaalang-alang ang liwanag bilang isang panaka-nakang pagkakasunod-sunod ng mga paggulo ng pisikal na vacuum ay lohikal na hinuhusgahan. Bilang resulta ng diskarteng ito, ipinaliwanag ang pisikal na katangian ng alon at corpuscular properties ng liwanag.

Ang isang lohikal na konklusyon ng posibilidad na ituring ang liwanag bilang isang yugto ng pagkakasunud-sunod ng mga pisikal na kasiyahan sa vacuum ay ibinigay sa artikulo. Bilang kinahinatnan ng naturang diskarte ay ipinaliwanag dito ang pisikal na katangian ng alon at corpuscular na katangian ng liwanag.

Panimula

Ang mga siglong gulang na pagtatangka upang maunawaan ang pisikal na katangian ng mga light phenomena ay naantala sa simula ng ika-20 siglo sa pamamagitan ng pagpapakilala ng dalawahang katangian ng bagay sa axiomatics ng teorya. Ang liwanag ay nagsimulang ituring na parehong alon at isang particle sa parehong oras. Gayunpaman, ang modelo ng radiation quantum ay pormal na binuo, at wala pa ring malinaw na pag-unawa sa pisikal na katangian ng radiation quantum.

Ang gawaing ito ay nakatuon sa pagbuo ng mga bagong teoretikal na ideya tungkol sa pisikal na katangian ng liwanag, na dapat ipaliwanag nang husay ang alon at corpuscular na mga katangian ng liwanag. Mas maaga, ang mga pangunahing probisyon ng binuo na modelo at ang mga resulta na nakuha sa loob ng balangkas ng modelong ito ay nai-publish:

1. Ang photon ay isang set ng elementary excitations ng vacuum propagating sa space sa anyo ng isang chain of excitations na may pare-parehong kamag-anak sa vacuum speed, na independiyente sa bilis ng light source. Para sa isang tagamasid, ang bilis ng photon ay nakasalalay sa bilis ng tagamasid na may kaugnayan sa vacuum, na lohikal na namodelo bilang ganap na espasyo.

2. Ang elementary vacuum excitation ay isang pares ng mga photon, isang dipole na nabuo ng dalawang (+) at (-) charged particle. Ang mga dipoles ay umiikot at may angular na momentum, na sama-samang bumubuo sa spin ng photon. Ang radius ng pag-ikot ng mga photon at ang angular velocity ay nauugnay sa dependence Rω = const .

3. Ang mga photon ay maaaring ituring na manipis na mahahabang cylindrical na karayom. Ang mga haka-haka na ibabaw ng mga cylinder-needles ay nabuo sa pamamagitan ng spiral trajectories ng mga photon. Kung mas mataas ang dalas ng pag-ikot, mas manipis ang photon needle. Ang isang kumpletong rebolusyon ng isang pares ng mga photon ay tumutukoy sa haba ng daluyong sa espasyo kasama ang direksyon ng paggalaw.

4. Ang enerhiya ng isang photon ay natutukoy sa pamamagitan ng bilang ng mga pares ng photon n sa isang photon: ε = nh E, kung saan ang h E ay isang halaga na katumbas ng pare-pareho ng Planck sa mga yunit ng enerhiya .

5. Nakuha ang quantitative value ng photon spin ћ. Ang isang pagsusuri ng ugnayan sa pagitan ng enerhiya at kinematic na mga parameter ng isang photon ay isinagawa. Bilang halimbawa, ang mga kinematic na parameter ng isang photon na ginawa ng 3d2p transition sa isang hydrogen atom ay kinakalkula. Ang haba ng isang photon sa nakikitang bahagi ng spectrum ay metro.

6. Ang masa ng isang pares ng mga photon ay kinakalkula m 0 = 1.474 10 -53 g, na tumutugma sa pagkakasunud-sunod ng magnitude sa itaas na pagtatantya ng mass ng photon m 

7. Isang konklusyon ang ginawa tungkol sa pagbabago sa mga constant na C at h kapag ang isang photon ay gumagalaw sa isang gravitational field.

Mula sa pana-panahong istraktura ng isang photon, ang dahilan para sa mga katangian ng alon ng liwanag ay intuitively malinaw: ang matematika ng isang alon, bilang isang proseso ng mekanikal na panginginig ng boses ng isang pisikal na daluyan, at ang matematika ng isang pana-panahong proseso ng anumang katangian ng husay, nag-tutugma. . Ang mga papel ay nagbibigay ng isang husay na paliwanag ng alon at corpuscular na mga katangian ng liwanag. Ipinagpapatuloy ng artikulong ito ang pagbuo ng mga ideya tungkol sa pisikal na katangian ng liwanag.

Mga katangian ng alon ng liwanag

Tulad ng nabanggit kanina, ang mga elemento ng periodicity na nauugnay sa pisikal na katangian ng liwanag ay nagiging sanhi ng pagpapakita ng mga katangian ng alon. Ang pagpapakita ng mga katangian ng alon ng liwanag ay itinatag ng maraming mga obserbasyon at mga eksperimento, at samakatuwid ay hindi maaaring mag-alinlangan. Nabuo ang matematikal na wave theory ng Doppler effect, interference, diffraction, polarization, dispersion, absorption at scattering ng liwanag. Ang wave theory ng liwanag ay organikong konektado sa geometric optics: sa limitasyon, bilang  → 0, ang mga batas ng optika ay maaaring mabuo sa wika ng geometry.

Hindi kinansela ng aming modelo ang mathematical apparatus ng wave model. Ang pangunahing layunin at ang pangunahing resulta ng aming trabaho ay ang pagpapakilala ng mga naturang pagbabago sa axiomatics ng teorya na nagpapalalim sa pag-unawa sa pisikal na kakanyahan ng kababalaghan at nag-aalis ng mga kabalintunaan.

Ang pangunahing kabalintunaan ng mga modernong konsepto ng liwanag ay wave-particle duality (CWD). Alinsunod sa mga batas ng pormal na lohika, ang liwanag ay hindi maaaring maging parehong alon at particle sa tradisyonal na kahulugan ng mga terminong ito. Ang konsepto ng isang alon ay nagpapahiwatig ng isang continuum, isang homogenous na daluyan kung saan ang mga panaka-nakang kaguluhan ng mga elemento ng continuum ay lumitaw. Ang konsepto ng isang particle ay nagpapahiwatig ng paghihiwalay at awtonomiya ng mga indibidwal na elemento. Ang pisikal na interpretasyon ng HPC ay hindi gaanong simple.

Ang kumbinasyon ng mga modelo ng corpuscular at wave ayon sa prinsipyong "ang isang alon ay isang kaguluhan ng isang hanay ng mga particle" ay nagtataas ng isang pagtutol, dahil ang pagkakaroon ng mga katangian ng alon sa isang solong butil ng liwanag ay itinuturing na matatag na itinatag. Ang interference ng mga bihirang lumilipad na photon ay natuklasan ni Janoshi, ngunit walang mga resulta ng dami, mga detalye at detalyadong pagsusuri ng eksperimento sa kurso ng pagsasanay. Ang impormasyon tungkol sa gayong mahalaga, pangunahing mga resulta ay hindi makukuha sa alinman sa mga sangguniang aklat o sa kurso sa kasaysayan ng pisika. Tila, ang tanong ng pisikal na kalikasan ng liwanag ay nasa isang malalim na likuran ng agham.

Subukan nating buuin muli ang mga quantitative parameter ng eksperimento ni Yanoshi, na lohikal na mahalaga para sa pagbibigay-kahulugan sa mga resulta, gamit ang isang maramot na paglalarawan ng mga katulad na eksperimento nina Biberman, Sushkin, at Fabrikant na may mga electron. Malinaw, sa eksperimento ni Yanoshi, ang pattern ng interference na nakuha mula sa isang maikling light pulse ng mataas na intensity J B ay inihambing sa pattern na nakuha sa loob ng mahabang panahon mula sa isang mahinang photon flux J M. Ang mahalagang pagkakaiba sa pagitan ng dalawang sitwasyon na isinasaalang-alang ay na sa kaso ng isang flux J M, ang pakikipag-ugnayan ng mga photon sa loob ng diffractive na instrumento ay dapat na hindi kasama.

Dahil walang nakitang pagkakaiba si Janoshi sa mga pattern ng interference, tingnan natin kung anong mga kundisyon ang kinakailangan para dito sa loob ng balangkas ng aming modelo.

Ang isang photon na may haba L f = 4.5 m ay dumadaan sa isang ibinigay na punto sa espasyo sa oras τ = L f / C = 4.5 /3ּ10 8 ≈ 1.5ּ10 –8 s. Kung ang diffraction system (device) ay may sukat na humigit-kumulang 1 m, kung gayon ang oras na aabutin para sa isang photon na dumaan sa device na may haba L f ay magiging mas mahaba: τ' = (L f + 1) / C ≈ 1.8ּ10 –8 s.

Ang isang tagamasid sa labas ay hindi makakakita ng mga solong photon. Ang isang pagtatangka na ayusin ang isang photon ay sumisira dito - walang ibang pagpipilian upang "makita" ang isang neutral na elektrikal na particle ng liwanag. Gumagamit ang eksperimento ng time-average na mga katangian ng liwanag, sa partikular, intensity (enerhiya bawat yunit ng oras). Upang ang mga photon ay hindi mag-intersect sa loob ng diffraction device, kinakailangan na paghiwalayin ang mga ito sa espasyo kasama ang trajectory ng paggalaw upang ang oras ng pagpasa ng device τ' ay mas mababa kaysa sa oras na t naghahati sa pagdating ng sunud-sunod na mga photon sa pag-install , ibig sabihin, τ' 1.8ּ10 –8 s.

Sa mga eksperimento sa mga electron, ang average na agwat ng oras sa pagitan ng dalawang particle na sunud-sunod na dumadaan sa diffraction system ay humigit-kumulang 3-10 4 na beses na mas mahaba kaysa sa oras na ginugol ng isang elektron upang dumaan sa buong device. Para sa mga particle ng punto, ang kaugnayang ito ay nakakumbinsi.

Ang eksperimento sa liwanag ay may makabuluhang pagkakaiba mula sa eksperimento sa mga electron. Kung ang pagiging natatangi ng mga electron ay maaaring kontrolin dahil sa isang bahagyang pagbaluktot ng kanilang enerhiya, kung gayon ito ay imposible sa mga photon. Sa eksperimento sa mga photon, hindi maaaring kumpleto ang paniniwala sa paghihiwalay ng mga photon sa kalawakan; ito ay posible sa istatistika para sa dalawang photon na dumating halos sabay-sabay. Maaari itong magbigay ng mahinang pattern ng interference sa mahabang panahon ng pagmamasid.

Ang mga resulta ng mga eksperimento ni Yanoshi ay hindi mapag-aalinlanganan, gayunpaman, ang gayong konklusyon ay hindi maaaring gawin tungkol sa teorya ng karanasan. Sa teorya, ito ay aktwal na postulated na ang interference pattern arises lamang bilang isang resulta ng pakikipag-ugnayan ng mga particle sa bawat isa sa ibabaw ng screen. Sa kaso ng malakas na light flux at pagkakaroon ng maraming particle, ito ang intuitively na pinaka-malamang na sanhi ng interference, ngunit para sa mahinang light flux, isa pang dahilan para sa paglitaw ng periodicity sa screen illumination ay maaari ding maging makabuluhan. Ang liwanag ay nagbabago ng direksyon kapag ito ay nakikipag-ugnayan sa isang solidong katawan. Mga slit edge, diffraction grating stroke at iba pang mga obstacle na nagdudulot ng diffraction - ito ay isang surface na malayo sa ideal, hindi lang sa surface finish. Ang mga atomo ng layer sa ibabaw ay isang periodic na istraktura na may isang panahon na maihahambing sa laki ng isang atom, ibig sabihin, ang periodicity ay nasa angstrom order. Ang distansya sa pagitan ng mga pares ng photon sa loob ng isang photon ay L 0 ≈ 10 –12 cm, na 4 na order ng magnitude na mas maliit. Ang pagmuni-muni ng mga pares ng larawan mula sa panaka-nakang istraktura ng ibabaw ay dapat magdulot ng pag-uulit ng mga iluminado at walang ilaw na lugar sa screen.

Ang hindi pagkakapantay-pantay sa mga direksyon ng pagpapalaganap ng sinasalamin na liwanag ay dapat palaging naroroon, kapag naaninag mula sa anumang ibabaw, ngunit may malakas na mga flux ng liwanag, ang mga average na katangian lamang ang makabuluhan, at ang epekto na ito ay hindi lilitaw. Para sa mahinang light flux, maaari itong humantong sa pag-iilaw ng screen na kahawig ng interference.

Dahil ang mga sukat ng isang electron ay mas maliit din kaysa sa mga sukat ng pana-panahong istraktura ng ibabaw ng katawan, para sa mga electron ay dapat ding magkaroon ng hindi pagkakapantay-pantay sa mga direksyon ng mga diffracting na particle, at para sa mahinang electron flux na ito ay maaaring ang tanging dahilan. para sa pagpapakita ng mga katangian ng alon.

Kaya, ang pagkakaroon ng mga katangian ng alon sa mga particle, kung ang mga photon o mga electron, ay maaaring ipaliwanag sa pamamagitan ng pagkakaroon ng mga katangian ng alon ng mapanimdim o repraktibo na ibabaw ng isang diffractive na instrumento.

Para sa isang posibleng pang-eksperimentong kumpirmasyon (o pagtanggi) ng hypothesis na ito, maaaring mahulaan ang ilang mga epekto.

Epekto 1

Para sa malakas na flux ng liwanag, ang pangunahing dahilan para sa mga katangian ng interference ng liwanag ay ang pana-panahong istraktura ng liwanag mismo, isang pinahabang photon. Ang mga pares ng mga photon mula sa iba't ibang mga photon ay nagpapatibay sa isa't isa sa screen kapag ang yugto ay nag-tutugma (mga vector r sa pagitan ng mga sentro ng mga photon ng mga pares na nakikipag-ugnayan ay nag-tutugma sa direksyon), o humina sa kaso ng hindi pagkakatugma ng phase (mga vector r sa pagitan ng mga sentro ng mga larawan ay hindi nag-tutugma sa direksyon). Sa huling kaso, ang mga pares ng mga larawan mula sa iba't ibang mga photon ay hindi nagiging sanhi ng magkasanib na sabay-sabay na pagkilos, ngunit nahuhulog ang mga ito sa mga bahaging iyon ng screen kung saan ang pagbaba ng pag-iilaw ay sinusunod.

Kung ang screen ay isang transparent na plato, kung gayon ang sumusunod na epekto ay maaaring sundin: ang isang minimum sa masasalamin na liwanag ay tumutugma sa isang maximum sa ipinadala na liwanag. Sa mga lugar kung saan ang isang minimum na pag-iilaw ay sinusunod sa masasalamin na liwanag, ang ilaw ay pumapasok din, ngunit hindi ito makikita sa mga lugar na ito, ngunit pumasa sa loob ng plato.

Ang mutual complementarity ng liwanag na sinasalamin at ipinadala sa pamamagitan ng plate sa hindi pangkaraniwang bagay ng interference ay isang kilalang katotohanan, na inilarawan sa teorya ng isang mahusay na binuo na pormal na mathematical apparatus ng wave model ng liwanag. Sa partikular, ang teorya ay nagpapakilala ng pagkawala ng isang kalahating alon sa panahon ng pagmuni-muni, at ito ay "ipinapaliwanag" ang pagkakaiba sa bahagi sa pagitan ng ipinadala at nasasalamin na mga bahagi.

Ano ang bago sa aming modelo ay ang paliwanag ng pisikal na katangian ng hindi pangkaraniwang bagay na ito. Nagtatalo kami na para sa mahinang mga flux ng liwanag, kapag ang pakikipag-ugnayan ng mga photon sa loob ng diffraction device ay hindi kasama, ang mahalagang dahilan para sa pagbuo ng isang pattern ng interference ay hindi ang periodic structure ng liwanag mismo, ngunit ang periodic structure ng surface ng aparato na nagdudulot ng diffraction. Sa kasong ito, hindi na magkakaroon ng interaksyon ng mga pares ng mga photon mula sa iba't ibang mga photon sa ibabaw ng screen, at ang interference ay dapat magpakita mismo sa katotohanan na sa mga lugar kung saan tumama ang liwanag, magkakaroon ng maximum na pag-iilaw, sa ibang mga lugar ay hindi na. Sa mga lugar na may minimum na pag-iilaw, ang ilaw ay hindi makakakuha ng lahat, at ito ay maaaring suriin ang kawalan ng mutual complementarity ng interference pattern para sa reflected at transmitted light.

Epekto 2

Ang isa pang posibilidad ng pagsubok sa hula na isinasaalang-alang at ang aming hypothesis sa kabuuan ay iyon para sa mahinang light flux, isang diffraction device na gawa sa ibang materyal, na naiiba sa iba't ibang density ng ibabaw ng mga atom, dapat magbigay ng ibang pattern ng interference para sa parehong liwanag na output. Ang hulang ito ay mapapatunayan din sa prinsipyo.

Epekto 3

Ang mga atomo ng ibabaw ng sumasalamin na katawan ay nakikilahok sa thermal motion, ang mga node ng crystal lattice ay nagsasagawa ng mga harmonic vibrations. Ang pagtaas sa temperatura ng kristal ay dapat humantong sa pag-blur ng pattern ng interference sa kaso ng mahinang light flux, dahil sa kasong ito ang interference ay nakasalalay lamang sa periodic structure ng reflecting surface. Para sa malalakas na light flux, ang epekto ng temperatura ng diffraction device sa interference pattern ay dapat na mas mahina, bagama't hindi ito ibinubukod, dahil ang thermal vibrations ng crystal lattice sites ay dapat lumabag sa coherence condition para sa mga nakalarawang pares ng photon mula sa iba't ibang photon . Ang hulang ito ay mapapatunayan din sa prinsipyo.

Corpuscular properties ng liwanag

Sa aming mga publikasyon, iminungkahi namin ang terminong "modelo ng istruktura ng isang photon". Ang pagsusuri ngayon ng kumbinasyon ng mga salita na nakapaloob sa mga panipi, kinakailangang kilalanin ito bilang lubhang hindi matagumpay. Ang punto ay na sa aming modelo ang photon bilang isang naisalokal na particle ay hindi umiiral. Ang isang dami ng nagliliwanag na enerhiya, na kinilala sa modernong teorya na may isang photon, sa aming modelo ay isang hanay ng mga vacuum excitations, na tinatawag na mga pares ng mga photon. Ang mga kaguluhan ay ipinamamahagi sa espasyo kasama ang direksyon ng paggalaw. Sa kabila ng napakalaking sukat ng microworld, dahil sa liit ng agwat ng oras kung saan ang isang hanay ng mga pares ay lumilipad sa anumang microobject o nabangga nito, at dahil din sa relatibong pagkawalang-galaw ng mga bagay ng microworld, quanta maaaring ganap na masipsip ng mga microobject na ito. Ang isang quantum photon ay nakikita bilang isang hiwalay na particle lamang sa proseso ng naturang pakikipag-ugnayan sa mga micro-object, kapag ang epekto mula sa pakikipag-ugnayan ng isang micro-object sa bawat pares ng mga photon ay maaaring maipon, halimbawa, sa anyo ng paggulo ng ang electron shell ng isang atom o molekula. Ang liwanag ay nagpapakita ng mga katangian ng corpuscular sa kurso ng naturang pakikipag-ugnayan, kapag ang isang mahalagang, model-conscious, theoretically na isinasaalang-alang na kadahilanan ay ang paglabas o pagsipsip ng isang tiyak na discrete na halaga ng liwanag na enerhiya.

Kahit na ang isang pormal na ideya ng quanta ng enerhiya ay pinahintulutan si Planck na ipaliwanag ang mga tampok ng radiation ng itim na katawan, at si Einstein na maunawaan ang kakanyahan ng photoelectric effect. Ang konsepto ng mga discrete na bahagi ng enerhiya ay nakatulong upang ilarawan sa isang bagong paraan ang mga pisikal na phenomena tulad ng light pressure, light reflection, dispersion - kung ano ang inilarawan na sa wika ng wave model. Ang ideya ng discreteness ng enerhiya, at hindi ang ideya ng mga point particle-photon, ang talagang mahalaga sa modernong corpuscular model ng liwanag. Ang discreteness ng energy quantum ay ginagawang posible na ipaliwanag ang spectra ng mga atom at molecule, ngunit ang localization ng enerhiya ng quantum sa isang nakahiwalay na particle ay sumasalungat sa eksperimentong katotohanan na ang oras ng paglabas at ang oras ng pagsipsip ng energy quantum sa pamamagitan ng isang atom ay medyo malaki sa sukat ng microworld - mga 10-8 s. Kung ang quantum ay isang localized point particle, ano ang mangyayari sa particle na ito sa loob ng 10-8 s? Ang pagpapakilala ng isang pinahabang quantum-photon sa pisikal na modelo ng liwanag ay ginagawang posible na husay na maunawaan hindi lamang ang mga proseso ng paglabas at pagsipsip, kundi pati na rin ang mga katangian ng corpuscular ng radiation sa pangkalahatan.

Dami ng mga parameter ng mga larawan

Sa aming modelo, ang pangunahing bagay ng pagsasaalang-alang ay isang pares ng mga larawan. Kung ikukumpara sa mga sukat ng isang photon (ang mga longitudinal na sukat para sa nakikitang liwanag ay mga metro), ang paggulo ng vacuum sa anyo ng isang pares ng mga photon ay maaaring ituring na pointlike (ang longitudinal na dimensyon ay mga 10-14 m). Tukuyin natin ang ilang parameter ng larawan. Ito ay kilala na ang γ-quanta ay ginawa sa panahon ng paglipol ng isang electron at isang positron. Hayaang ipanganak ang dalawang γ-quanta. Tantyahin natin ang pinakamataas na limitasyon ng kanilang mga quantitative parameter, sa pag-aakalang ang enerhiya ng electron at positron ay katumbas ng natitirang enerhiya ng mga particle na ito:

. (1)

Ang bilang ng mga pares ng larawan na lumilitaw ay:

. (2)

Ang kabuuang singil ng lahat ng (–) photon ay –e, kung saan ang e ay ang electron charge. Ang kabuuang singil ng lahat ng (+) photon ay +e. Kalkulahin natin ang modulus ng singil na dala ng isang larawan:

Cl. (3)

Humigit-kumulang, hindi isinasaalang-alang ang dinamikong pakikipag-ugnayan ng mga gumagalaw na singil, maaari nating ipagpalagay na ang puwersang sentripetal ng isang umiikot na pares ng mga photon ay ang puwersa ng kanilang pakikipag-ugnayan sa electrostatic. Dahil ang linear na bilis ng umiikot na mga singil ay katumbas ng C, nakukuha natin (sa sistema ng SI):

, (4)

kung saan m 0 / 2 \u003d h E / C 2 - ang masa ng isang larawan. Mula sa (4) nakakakuha kami ng isang expression para sa radius ng pag-ikot ng mga sentro ng pagsingil ng photon:

m. (5)

Isinasaalang-alang ang "electrical" cross section ng isang photon bilang ang lugar ng isang bilog S ng radius R El, nakuha namin:

Ang papel ay nagbibigay ng isang formula para sa pagkalkula ng cross section ng isang photon sa balangkas ng QED:

, (7)

kung saan ang σ ay sinusukat sa cm 2. Sa pag-aakalang ω = 2πν, at ν = n (nang hindi isinasaalang-alang ang dimensyon), nakakakuha kami ng pagtatantya ng cross section gamit ang QED method:

. (8)

Ang pagkakaiba sa aming pagtatantya ng photon cross section ay 6 orders of magnitude, o mga 9%. Kasabay nito, dapat tandaan na ang aming resulta para sa cross section ng photon ng ~ 10 -65 cm 2 ay nakuha bilang isang itaas na pagtatantya para sa paglipol ng mga immobile na particle, habang ang tunay na electron at positron ay may enerhiya ng paggalaw. Isinasaalang-alang ang kinetic energy, ang cross section ay dapat na mas maliit, dahil sa formula (1) ang enerhiya ng mga particle na dumadaan sa radiation ay magiging mas malaki, at, dahil dito, ang bilang ng mga pares ng mga photon ay magiging mas malaki. Ang kinakalkula na halaga ng singil ng isang larawan ay magiging mas mababa (formula 3), samakatuwid, ang R El (formula 5) at ang cross section S (formula 6) ay magiging mas mababa. Sa pag-iisip na ito, ang aming pagtatantya ng cross section ng photon ay dapat kilalanin bilang humigit-kumulang na tumutugma sa pagtatantya ng QED.

Tandaan na ang partikular na singil ng phot ay tumutugma sa partikular na singil ng isang electron (positron):

. (9)

Kung ang isang phot (tulad ng isang electron) ay may hypothetical na "core", kung saan ang singil nito ay puro, at isang "fur coat" mula sa isang nababagabag na pisikal na vacuum, kung gayon ang "electrical" na cross section ng isang pares ng mga photon ay hindi dapat tumugma sa ang "mechanical" na cross section. Hayaang umikot ang mga sentro ng masa ng mga photon sa paligid ng isang bilog na radius R Mex na may bilis na C. Dahil C = ωR Mex, nakuha namin ang:

. (10)

Kaya, ang haba ng bilog kung saan ang mga sentro ng larawan ng mass ay umiikot ay katumbas ng haba ng daluyong, na medyo natural kapag ang mga bilis ng pagsasalin at pag-ikot ay pantay sa aming interpretasyon ng konsepto ng "haba ng daluyong". Ngunit sa kasong ito, lumalabas na para sa mga photon na nakuha bilang resulta ng paglipol na isinasaalang-alang sa itaas, R Mex ≈ 3.8∙10 –13 m ≈ 10 22 ∙R El. Ang fur coat ng perturbed vacuum, na nakapalibot sa mga core ng mga photon, ay may napakalaking sukat kumpara sa core mismo.

Siyempre, ang lahat ng ito ay medyo magaspang na mga pagtatantya. Ang anumang bagong modelo ay hindi maaaring makipagkumpitensya sa katumpakan sa isang umiiral nang modelo na umabot na sa simula nito. Halimbawa, nang lumitaw ang heliocentric na modelo ng Copernicus, sa loob ng halos 70 taon, ang mga praktikal na kalkulasyon ng astronomya ay isinagawa alinsunod sa geocentric na modelo ng Ptolemy, dahil ito ay humantong sa isang mas tumpak na resulta.

Ang pagpapakilala ng mga modelo sa panimula na bagong batayan sa agham ay hindi lamang isang banggaan sa subjective na pagsalungat, ngunit isang layunin din na pagkawala ng katumpakan ng mga kalkulasyon at hula. Posible rin ang mga kabalintunaan na resulta. Ang resultang ratio ng mga order na ~10 22 sa pagitan ng elektrikal at mekanikal na radii ng pag-ikot ng mga photon ay hindi lamang hindi inaasahan, kundi pati na rin sa pisikal na hindi maintindihan. Ang tanging paraan upang kahit papaano ay maunawaan ang ratio na nakuha ay ang pagpapalagay na ang pag-ikot ng isang pares ng mga photon ay may vortex character, dahil sa kasong ito, kung ang mga linear velocities ng mga bahagi sa iba't ibang distansya mula sa sentro ng pag-ikot ay pantay, ang kanilang mga angular velocities dapat iba.

Intuitively, ang vortex na likas na katangian ng pag-ikot ng isang three-dimensional na istraktura mula sa isang manipis na daluyan - pisikal na vacuum, ay mas nauunawaan kaysa sa ideya ng pag-ikot ng isang pares ng mga photon, na nakapagpapaalaala sa pag-ikot ng isang solidong katawan. Ang isang pagsusuri ng vortex motion ay dapat na higit pang humantong sa isang bagong husay na pag-unawa sa prosesong isinasaalang-alang.

Mga resulta at konklusyon

Ipinagpapatuloy ng gawain ang pagbuo ng mga ideya tungkol sa pisikal na katangian ng liwanag. Nasusuri ang pisikal na katangian ng corpuscular-wave dualism. Ang mga pangunahing nabe-verify na epekto ay hinuhulaan sa mga eksperimento sa interference at diffraction ng mahinang light flux. Ang dami ng mga kalkulasyon ng mekanikal at elektrikal na mga parameter ng mga photon ay isinagawa. Ang cross section ng isang pares ng photon ay kinakalkula at isang konklusyon ay ginawa tungkol sa vortex structure ng pares.

Panitikan

1. Moiseev B.M. Istraktura ng photon. - Dep. sa VINITI 12.02.98, No. 445 - B98.

2. Moiseev B.M. Mass at enerhiya sa structural model ng photon. - Dep. sa VINITI 01.04.98, No. 964 - B98.

3. Moiseev B.M. Sa kabuuang enerhiya at masa ng isang katawan na gumagalaw. - Dep. sa VINITI 12.05.98, No. 1436 - B98.

4. Moiseev B.M. Photon sa isang gravitational field. - Dep. sa VINITI 27.10.99, No. 3171 - B99.

5. Moiseev B.M. Pagmomodelo ng istraktura ng isang photon. - Kostroma: Publishing House ng KSU im. SA. Nekrasova, 2001.

5. Moiseev B.M. Photon microstructure // Proceedings of the Congress-2002 "Mga pangunahing problema ng natural na agham at teknolohiya", bahagi III, pp. 229–251. - St. Petersburg, Publishing House ng St. Petersburg State University, 2003.

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

8. Sivukhin D.V. Atomic at nuclear physics. Sa loob ng 2 oras. Bahagi 1. Atomic physics. – M.: Nauka, 1986.

9. Physical Encyclopedic Dictionary. Sa 5 volume - M .: Soviet Encyclopedia, 1960-66.

10. Pisika. Malaking encyclopedic dictionary. - M .: Great Russian Encyclopedia, 1999.

11. Kudryavtsev P.S. Kurso sa kasaysayan ng pisika. - M .: Edukasyon, 1974.

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