Эффект Комптона. Корпускулярно-волновой дуализм
ЭффектКомптона –
рассеяние электромагнитного излучения на свободном электроне, сопровождающееся уменьшением частоты излучения (открыт А. Комптоном в 1923 г.). В этом процессе электромагнитное излучение ведёт себя как поток отдельных частиц – корпускул (которыми в данном случае являются кванты электромагнитного поля — фотоны), что доказывает двойственную – корпускулярно-волновую – природу электромагнитного излучения. С точки зрения классической электродинамики рассеяние излучения с изменением частоты невозможно.
Комптоновское рассеяние – это рассеяние на свободном электроне отдельного фотона с энергией Е = hν = hc/λ (h – постоянная Планка, ν – частота электромагнитной волны, λ – её длина, с – скорость света) и импульсом р = Е/с. Рассеиваясь на покоящемся электроне, фотон передаёт ему часть своей энергии и импульса и меняет направление своего движения. Электрон в результате рассеяния начинает двигаться. Фотон после рассеяния будет иметь энергию Е ‘
= hν ‘
(и частоту) меньшую, чем его энергия (и частота) до рассеяния. Соответственно после рассеяния длина волны фотона λ ‘
увеличится. Из законов сохранения энергии и импульса следует, что длина волны фотона после рассеяния увеличится на величину
где θ – угол рассеяния фотона, а me – масса электрона h/mec = 0.024 Å называется комптоновской длиной волны электрона.
Изменение длины волны при комптоновском рассеянии не зависит от λ и определяется лишь углом θ рассеяния γ-кванта. Кинетическая энергия электрона определяется соотношением
Эффективное сечение рассеяния γ-кванта на электроне не зависит от характеристик вещества поглотителя. Эффективное сечение этого же процесса, рассчитанное на один атом
, пропорционально атомному номеру (или числу электронов в атоме) Z.
Сечение комптоновского рассеяния убывает с ростом энергии γ-кванта: σk ~ 1/Eγ.
Корпускулярно-волновой дуализм –
свойство любой микрочастицы обнаруживать признаки частицы (корпускулы) и волны. Наиболее ярко корпускулярно-волновой дуализм проявляется у элементарных частиц. Электрон, нейтрон, фотон в одних условиях ведут себя как хорошо локализованные в пространстве материальные объекты (частицы), двигающиеся с определёнными энергиями и импульсами по классическим траекториям, а в других – как волны, что проявляется в их способности к интерференции и дифракции. Так электромагнитная волна, рассеиваясь на свободных электронах, ведёт себя как поток отдельных частиц – фотонов, являющихся квантами электромагнитного поля (Комптона эффект), причём импульс фотона даётся формулой р = h/λ,
где λ – длина электромагнитной волны, а h – постоянная Планка. Эта формула сама по себе – свидетельство дуализма. В ней слева – импульс отдельной частицы (фотона), а справа – длина волны фотона.
Дуализм электронов, которые мы привыкли считать частицами, проявляется в том, что при отражении от поверхности монокристалла наблюдается дифракционная картина, что является проявлением волновых свойств электронов. Количественная связь между корпускулярными и волновыми характеристиками электрона та же, что и для фотона: р = h/
λ (р – импульс электрона, а λ – его длина волны де Бройля).
Корпускулярно-волновой дуализм лежит в основе квантовой физики
1
| 2
| | 4
| 5
| 6
| 7
| 8
| 9
| 10
| 11
|
Поиск по сайту:
Гипотеза де Бройля
Идея об универсальной двойственности корпускулярных и волновых свойств всех объектов природы была впервые высказана Луи де Бройлем (в 1924году) в качестве гипотезы о волновых свойствах частиц.
Итак, мы знаем, что свету с частотой и длиной волны соответствуют частицы — фотоны, обладающие энергией и импульсом . Де Бройль, в сущности, постулировал обратное.
Гипотеза де Бройля. Движению каждой частицы соответствует распространение некоторой волны. Частота и длина этой волны определяются энергией и импульсом частицы
:
Точно так же, любой волне с частотой и длиной волны отвечают частицы с энергией и импульсом
.
В случае электромагнитных волн мы имеем следующую закономерность. По мере увеличения длины волны всё легче наблюдать волновые свойства излучения и всё труднее — корпускулярные. И наоборот, чем меньше длина волны, тем ярче выражены корпускулярные свойства излучения и тем труднее наблюдать его волновые свойства. Изменение соотношения корпускулярных и волновых свойств хорошо прослеживается при движении по известной вам шкале электромагнитных волн.
• Радиоволны
. Длины волн здесь настолько велики, что корпускулярные свойства излучения практически не проявляются. Волновые свойства в этом диапазоне абсолютно доминируют.
Энергия квантов в рентгеновском и гамма-диапазоне настолько велика, что излучение ведёт себя почти стопроцентно как поток частиц.
Рассуждая по аналогии с электромагнитными волнами, можно заключить, что и частица будет проявлять волновые свойства тем лучше, чем больше её длина волны де Бройля (в масштабах данной ситуации).
Так, мы совсем не наблюдаем волновых свойств у окружающих нас тел. ( Видели вы, например, интерференцию движущихся автомобилей?) А почему? Давайте посчитаем длину дебройлевской волны объекта массой кг, движущегося со скоростью м/с:
Гипотеза М. Планка о квантах
М. Планк выдвинул гипотезу о квантах:
энергия испускается телом не непрерывно, а отдельными порциями – квантами, энергия которых пропорциональна частоте колебаний.
где \( h \) – постоянная Планка, \( h \) = 6,62·10 -34 Дж·с.
Свет, как и любое другое электромагнитное излучение, представляет собой поток фотонов с энергией \( \varepsilon \) .
Дифракция электронов
Дифракция электронов является опытным доказательством гипотезы де Бройля о волновых свойствах частиц.
Опыт К. Дэвиссона и Л. Джермера (1927)
Общим условием дифракции является соизмеримость длины падающей волны с расстоянием между рассеивающими центрами: \( \lambda\approx d \) .
В качестве дифракционной решетки использовалась кристаллическая решетка никеля, расстояние между атомами которого \( d \) ≈ 2·10 -10 м. Пучок ускоренных электрическим полем электронов с длиной волны \( \lambda \) ≈ 10 -10 м направлялся под углом \( \varphi \) на поверхность кристалла никеля. Полученная дифракционная картина и явилась доказательством наличия у электронов волновых свойств.
Попадая в любую физическую среду с плотностью выше плотности вакуума, световой поток испытывает, как и положено любым материальным частицам, сопротивление этой среды. Чем выше плотность среды, тем больше сопротивление и тем меньше скорость света. Всё логично и по большому счёту правильно.
Однако от такого объяснения остаётся некое чувство неудовлетворённости и возникает ощущение, что где-то здесь спрятан обман, ну хорошо не обман, а некая неопределённость или полуправда, которая, как известно, ещё хуже прямого обмана. Почему возникает такой дискомфорт?
Во-первых, из курса всё той же школьной физики нам известно, что свет это не только частица, но ещё и электромагнитная волна.
Начнём с того, что попробуем вникнуть в суть корпускулярно-волнового дуализма. Законы геометрической оптики известны человечеству с древнейших времён и были оформлены в самостоятельный раздел физики трудами таких учёных как Иоганн Кеплер, Рене Декарт и Исаак Ньютон. Корпускулярная теория света хоть и подвергалась критике со стороны отдельных учёных, но полностью доминировала вплоть до начала XIX века. Однако в XIX веке волновые свойства света были детально изучены и скрупулёзно описаны Томасом Юнгом и Огюстеном-Жаном Френелем независимо друг от друга. Величественное здание волновой оптики, воздвигнутое их усилиями и пролившее свет на все известные оптические явления, было окончательно достроено трудами Максвелла, создателем электромагнитной теории света. С тех пор существование электромагнитных волн ни один серьёзный учёный оспаривать не будет. Волновая теория электромагнитного поля считается одной из наиболее надёжно и качественно проработанных теорий современной физики. На её принципах работает вся современная техника. С другой стороны квантовая механика и теория относительности рассматривают фотоны исключительно как самостоятельные и абсолютно самодостаточные элементарные частицы, подтверждающие свои корпускулярные свойства в таких явлениях как фотоэффект или квантовая запутанность. Поэтому сегодня общепринятая в научном сообществе точка зрения гласит, что свет с одной стороны это частицы, а с другой электромагнитные волны. Такое раздвоение свойств получило название корпускулярно-волновой дуализм. Наверное, самым известным теоретиком корпускулярно-волновой природы света, является Луи де Бройль. Он отстаивал точку зрения, что этой болезни (дуализму) подвержены не только кванты света, но также электроны и вообще любые частицы. Благодаря его трудам в современную научную и околонаучную терминологию прочно вошло такое понятие как волны де Бройля . Волны де Бройля определяют волновую природу любых частиц и позволяют говорить о вероятности обнаружения этих частиц в неком конфигурационном пространстве . Тем не менее, с моей точки зрения, утверждение, что фотон это волна, глубоко ошибочно. При этом я не отрицаю работоспособность электромагнитной теории как таковой. Все её законы абсолютно верны для хорошо изученных электромагнитных явлений. Но как такое может быть – спросите вы?! Может – отвечу я. В своих опытах отцы открыватели волновых свойств света совершили одну малозаметную подмену понятий. Эта подмена, особо не афишируемая при рождении, основательно укоренилась в головах адептов корпускулярно-волнового дуализма и кочует с тех пор по бесчисленным научно-популярным и общеобразовательным изданиям. Например, в любом школьном учебнике по физике вы найдёте примерно схожее описание опытов Гюйгенса, Юнга или Френеля, которые в тёмной-тёмной комнате пропускали через ма-а-ленькое отверстие очень тоненький луч света, который после попадания на экран с двумя щелями демонстрировал свои волновые свойства, именуемые с лёгкой руки всё того же Юнга интерференцией.
Интерференция света – перераспределение интенсивности света в результате наложения нескольких световых волн
(Википедия. Ст. И НТЕРФЕРЕНЦИЯ СВЕТА).
Фотоэффект
Фотоэффект был открыт в 1887 году Г. Герцем.
В опытах с электроискровыми вибраторами Герц установил, что заряженный проводник, освещенный ультрафиолетовыми лучами, быстро теряет свой заряд, а электрическая искра возникает в искровом промежутке при меньшей разности потенциалов.
Фотоэффект – это явление взаимодействия света с веществом, в результате которого энергия фотонов передается электронам вещества.
Различают внутренний и внешний фотоэффект.
Внутренний фотоэффект – изменение концентрации носителей заряда в веществе.
Внешний фотоэффект – явление вырывания электронов с поверхности вещества под действием падающего на него света.
Частицы как волны
Свет — это волна. Но свет также считали состоящим из частиц, или «корпускулов». Не так давно материя, точнее, атомы, была сведена к набору более мелких частиц. Но оставался вопрос: не могут ли и они вести себя как волны?
Именно об этом размышлял Луи Де Бройль
в 1923 году. Он предполагал, что корпускулярно-волновой дуализм характерен не только для видимого света, но также для других форм излучаемой энергии. Например, это явление можно было попытаться применить к имеющим массу частицам – электрону или протону.
Де Бройль стал рассматривать каждую частицу как некий цуг волн, впоследствии названный «волновым пакетом». Конечно, такие волновые формы не распространяются, как видимый свет, но имеют с ним много общего. Так, скорость частицы оказалась обратно пропорциональна длине волны ее волновой формы — более быстрые частицы имеют более короткую длину волны. Кинетическая энергия частицы получалась пропорциональной частоте ее волновой формы.
Электромагнитный спектр уже давно «размечен» на диапазоны — гамма-лучи, излучаемые при радиоактивном распаде, с высокочастотной стороны и безвредные радиоволны Герца с низкочастотной. Наступало время изучить подобные спектры и для волновых форм субатомных частиц
Для доказательства Де Бройль использовал чистую математику. В 1927 году Джордж Томсон
— сын «Джи Джи» (дружеское прозвище Джозефа Джона Томсона), открывшего за 28 лет до этого существование электрона — сумел найти материальные свидетельства правоты Луи де Бройля. Томсон повторил опыт Юнга, который доказывал волновую природу света, но работал с пучком электронов. Он направил поток электронов на экран с двумя щелями, а детектор расположил за ним. Прибор отмечал каждый пролетающий электрон черной точкой. Если бы электроны не имели волновых свойств, они дали бы на экране две группы точек за каждой из щелей. Но Томсон обнаружил, что точки образовали те самые темные полоски интерференционной картины – как и волны. Так Томсон выяснил, что его отец открыл не только субатомную частицу, но и волну.
Корпускулярно-волновой дуализм
Реферат на тему: «Корпускулярно-волновой дуализм» Выполнила: ученица 11 класса Г средней школы №18 Амосова Александра (активную помощь в написании реферата оказывал студент факультета Технической кибернетики и информатике Казанского государственного технического университета) Бужин Юрий ICQ number: (257333541) mailto:larry-lamer@mail.ru Казань 2003 г. Содержание. 1. Введение. 2. Единство корпускулярных и волновых свойств электромагнитного излучения. 3. Волновые свойства света. а) Дисперсия. б) Дифракция. в) Поляризация 4. Квантовые свойства света. а) Фотоэффект. б) Эффект Комптона. 5. Заключение. 6. Список использованной литературы. Введение. Уже в древности наметились три основных подхода к решению вопроса о природе света. Эти три подхода в последующем оформились в две конкурирующие теории – корпускулярную и волновую теории света. Подавляющее большинство древних философов и ученых рассматривало свет как некие лучи, соединяющие светящееся тело и человеческий глаз. При этом одни из них полагали, что лучи исходят из глаз человека, они как бы ощупывают рассматриваемый предмет. Эта точка зрения имела большое число последователей, среди которых был Эвклид. Формулируя первый закон геометрической оптики, закон прямолинейного распространения света, Эвклид писал: “Испускаемые глазами лучи распространяются по прямому пути”. Такого же взгляда придерживался Птолемей и многие другие ученые и философы. Однако позже, уже в средние века, такое представление о природе света теряет свое значение. Все меньше становится ученых, следующих этим взглядам. И к началу XVII в. эту точку зрения можно считать уже забытой. Другие, наоборот, считали, что лучи испускаются светящимся телом и, достигая человеческого глаза, несут на себе отпечаток светящегося предмета. Такой точки зрения придерживались атомисты Демокрит, Эпикур, Лукреций. Последняя точка зрения на природу света уже позже, в XVII в., оформилась в корпускулярную теорию света, согласно которой свет есть поток каких-то частиц, испускаемых светящимся телом. Третья точка зрения на природу света была высказана Аристотелем. Он рассматривал свет как распространяющееся в пространстве (в среде) действие или движение. Мнение Аристотеля в его время мало кто разделял. Но в дальнейшем, опять же в XVII в., его точка зрения получила развитие и положила начало волновой теории света. К середине XVII века накопились факты, которые толкали научную мысль за пределы геометрической оптики. Одним из первых ученых, подтолкнувшим научную мысль к теории волновой природы света, был чешский ученый Марци. Его работы известны не только в области оптики, но также и в области механики и даже медицины. В 1648 им открыто явление дисперсии света. В XVII в. в связи с развитием оптики вопрос о природе света стал вызывать все больший и больший интерес. При этом постепенно происходит образование двух противоположных теорий света: корпускулярной и волновой. Для развития корпускулярной теории света была более благоприятная почва. Действительно, для геометрической оптики представление о том, что свет есть поток особых частиц, было вполне естественным. Прямолинейное распространение света, а также законы отражения и преломления хорошо объяснялись с точки зрения этой теории. Общее представление о строении вещества также не вступало в противоречие с корпускулярной теорией света. В то время в основе взглядов на строение вещества лежала атомистика. Все тела состоят из атомов. Между атомами существует пустое пространство. В частности, тогда считали, что межпланетное пространство является пустым. В нем и распространяется свет от небесных тел в виде потоков световых частиц. Поэтому вполне естественно, что в XVII в. было много физиков, которые придерживались корпускулярной теории света. В это же время начинает развиваться и представление о волновой природе света. Родоначальником волновой теории света можно считать Декарта. Единство корпускулярных и волновых свойств электромагнитного излучения. Рассмотренные в данном разделе явления- излучение чёрного тела, фотоэффекта, эффект Комптона- служат доказательством квантовых(корпускулярных) представлений о свете как о потоке фотонов. С другой стороны, такие явления, как интерференция, дифракция и поляризация света, убедительно подтверждают волновую (электромагнитную) природу света. Наконец, давление и преломление света объясняются как волновой, так и квантовой теориями. Таким образом, электромагнитное излучение обнаруживает удивительное единство, казалось бы, взаимоисключающих свойств- непрерывных(волны) и дискретных(фотоны), которые взаимно дополняют друг друга. Более детальное рассмотрение оптических явлений приводит к выводу, что свойства непрерывности, характерные для электромагнитного поля световой волны, не следует противопоставлять свойствам дискретности, характерным для фотона. Свет, обладая одновременно корпускулярными и волновыми свойствами, обнаруживает определённые закономерности в их проявлении. Так, волновые свойства света проявляются в закономерностях его распространения, интерференции, дифракции, поляризации, а корпускулярные – в процессах взаимодействия света с веществом. Чем больше длина волны, тем меньше энергия и импульс фотона и тем труднее обнаруживаются квантовые свойства света (с этим связано, например, существование красной границы фотоэффекта). Наоборот, чем меньше длина волны, тем больше энергия и импульс фотона и тем труднее обнаруживается волновые свойства (например, волновые свойства (дифракция) рентгеновского излучения обнаружены лишь после применения в качестве дифракционной решётки кристаллов). Взаимосвязь между двойственными корпускулярно-волновыми свойствами света можно объяснить, если использовать, как это делает квантовая оптика, статистический подход к рассмотрению закономерностей рассмотрения света. Например, дифракция света на щели состоит в том, что при прохождении света через щель происходит перераспределение фотонов в пространстве. Так как вероятность попадания фотонов в различные точки экрана неодинакова, то и возникает дифракционная картина. Освещённость экрана пропорциональна вероятности попадания фотонов на единицу площади экрана. С другой стороны, по волновой теории, освещённость пропорциональна квадрату амплитуды световой волны той же точке экрана. Следовательно, квадрат амплитуды световой волны в данной точке пространства является мерой вероятности попадания фотонов в данную точку. Волновые свойства света. 1.1 Дисперсия. Ньютон обратился к исследованию цветов, наблюдаемых при преломлении света, в связи с попытками усовершенствования телескопов. Стремясь получить линзы возможно лучшего качества, Ньютон убедился, что главным недостатком изображений является наличие окрашенных краёв. Исследуя окрашивание при преломлении, Ньютон сделал свои величайшие оптические открытия. Сущность открытий Ньютона поясняется следующими опытами (рис.1) свет от фонаря освещает узкое отверстие S (щель). При помощи линзы L изображение щели получается на экране MN в виде короткого белого прямоугольника S`. Поместив на пути призму P, ребро которой параллельно щели, обнаружим, что изображение щели сместится и превратится в окрашенную полоску, переходы цветов, в которой от красного к фиолетовому подобны наблюдаемым в радуге. Это радужное изображение Ньютон назвал спектром. Если прикрыть щель цветным стеклом, т.е. если направлять на призму вместо белого света цветной, изображение щели сведется к цветному прямоугольнику, располагающему на соответствующем месте спектра, т.е. в зависимости от цвета свет будет отклоняться на различные углы от первоначального изображения S`. Описанное наблюдения показывает, что лучи разного цвета различно преломляются призмой. Это важное заключение Ньютон проверил многими опытами. Важнейший из них состоял в определении и показателя преломления лучей различного цвета, выделенных из спектра. Для этой цели в экране MN , на котором получается спектр, прорезалось отверстие; перемещая экран, можно было выпустить через отверстие узкий пучок лучей того или иного цвета. Такой способ выделения однородных лучей более совершенен, чем выделение при помощи цветного стекла. Опыты обнаружили, что такой выделенный пучок, преломляясь во второй призме, уже не растягивает полоску. Такому пучку соответствует определенный показатель преломления, значение которого зависит от цвета выделенного пучка. Описанные опыты показывают, что для узкого цветного пучка, выделенного из спектра, показатель преломления имеет вполне определенное значение, тогда как преломление белого света можно только приблизительно охарактеризовать одним каким то значением этого показателя. Сопоставляя подобные наблюдения, Ньютон сделал вывод, что существуют простые цвета, не разлагающиеся при прохождении через призму, и сложные, представляющие совокупность простых, имеющих разные показатели преломления. В частности, солнечный свет есть такая совокупность цветов, которая при помощи призмы разлагается, давая спектральное изображение щели. Таким образом, в основных опытах Ньютона заключались два важных открытия: 1)Свет различного цвета характеризуется различными показателями преломления в данном веществе (дисперсия). 2)Белый цвет есть совокупность простых цветов. Мы знаем в настоящее время, что разным цветам соответствуют различные длины световых волн. Поэтому первое открытие Ньютона можно сформулировать следующим образом: Показатель преломления вещества зависит от длины световой волны. Обычно он увеличивается по мере уменьшения длины волны. 1.2 Дифракция. У световой волны не происходит изменения геометрической формы фронта при распространении в однородной среде. Однако если распространение света осуществляется в неоднородной среде, в которой, например, находятся не прозрачные экраны, области пространства со сравнительно резким изменением показателя преломления и т. п., то наблюдается искажение фронта волны. В этом случае происходит перераспределение интенсивности световой волны в пространстве. При освещении, например, непрозрачных экранов точечным источником света на границе тени, где согласно законам геометрической оптики должен был бы проходить скачкообразный переход от тени к свету, наблюдается ряд тёмных и светлых полос, часть света проникает в область геометрической тени. Эти явления относятся к дифракции света. Итак, дифракция света в узком смысле - явление огибания светом контура непрозрачных тел и попадание света в область геометрической тени; в широком смысле - всякое отклонение при распространении света от законов геометрической оптики. Определение Зоммерфельда: под дифракцией света понимают всякое отклонение от прямолинейного распространения, если оно не может быть объяснено как результат отражения, преломления или изгибания световых лучей в средах с непрерывно меняющимся показателем преломления. Если в среде имеются мельчайшие частицы (туман) или показатель преломления заметно меняется на расстояниях порядка длины волны, то в этих случаях говорят о рассеянии света и термин «дифракция» не употребляется. Различают два вида дифракции света. Изучая дифракционную картину в точке наблюдения, находящейся на конечном расстоянии от препятствия, мы имеем дело с дифракцией Френеля. Если точка наблюдения и источник света расположены от препятствия так далеко, что лучи, падающие на препятствие, и лучи, идущие в точку наблюдения, можно считать параллельными пучками, то говорят о дифракции в параллельных лучах – дифракции Фраунгофера. Теория дифракции рассматривает волновые процессы в тех случаях, когда на пути распространения волны имеются какие – либо препятствия. С помощью теории дифракции решают такие проблемы, как защита от шумов с помощью акустических экранов, распространение радиоволн над поверхностью Земли, работа оптических приборов (так как изображение, даваемое объективом, - всегда дифракционная картина), измерения качества поверхности, изучение строения вещества и многие другие. 1.3 Поляризация Явления интерференции и дифракции, послужившие для обоснования волновой природы света, не дают еще полного представления о характере световых волн. Новые черты открывает нам опыт над прохождением света через кристаллы, в частности через турмалин. Возьмем две одинаковые прямоугольные пластинки турмалина, вырезанные так, что одна из сторон прямоугольника совпадает с определенным направлением внутри кристалла, носящим название оптической оси. Наложим одну пластинку на другую так, чтобы оси их совпадали по направлению, и пропустим через сложенную пару пластинок узкий пучок света от фонаря или солнца. Так как турмалин представляет собой кристалл буро – зеленого цвета, то след прошедшего пучка на экране представится в виде тёмно – зеленого пятнышка. Начнем поворачивать одну из пластинок вокруг пучка, оставляя вторую неподвижной. Мы обнаружим, что след пучка становится слабее, и когда пластинка повернётся на 900, он совсем исчезнет. При дальнейшем вращении пластинки проходящий пучок вновь начнет усиливаться и дойдет до прежней интенсивности, когда пластинка повернется на 1800, т.е. когда оптические оси пластинок вновь расположатся параллельно. При дальнейшем вращении турмалина пучок вновь слабеет. Можно объяснить все наблюдающиеся явления, если сделать следующие выводы. Световые колебания в пучке направлены перпендикулярно к линии распространения света (световые волны поперечны). Турмалин способен пропускать световые колебания только в том случае, когда они направлены определенным образом относительно его оси. В свете фонаря(солнца) представлены поперечные колебания любого направления и притом в одинаковой доле, так что ни одно направление не является преимущественным. Вывод 3 объясняет, почему естественный свет в одинаковой степени проходит через турмалин при любой его ориентации, хотя турмалин, согласно выводу 2, способен пропускать световые колебания только определенного направления. Прохождение естественного света через турмалин приводит к тому, что из поперечных колебаний отбираются только те, которые могут пропускаться турмалином. Поэтому свет, прошедший через турмалин, будет представлять собой совокупность поперечных колебаний одного направления, определяемого ориентацией оси турмалина. Такой свет мы будем называть линейно поляризованным, а плоскость, содержащую направление колебаний и ось светового пучка, - плоскостью поляризации. Теперь становится понятным опыт с прохождением света через две последовательно поставленные пластинки турмалина. Первая пластинка поляризует проходящий через неё пучок света, оставляя в нем колебания только одного направления. Эти колебания могут пройти через второй турмалин полностью только в том случае, когда направление их совпадает с направлением колебаний, пропускаемых вторым турмалином, т.е. когда его ось параллельна оси первого. Если же направление колебаний в поляризованном свете перпендикулярно к направлению колебаний, пропускаемых вторым турмалином, то свет будет полностью задержан. Если направление колебаний в поляризованном свете составляет острый угол с направлением, пропускаемым турмалином, то колебания будут пропущены лишь частично. Квантовые свойства света. 2.1 Фотоэффект. Гипотеза Планка о квантах послужила основой для объяснения явления фотоэлектрического эффекта, открытого в 1887г. немецким физиком Генрихом Герцем. Явление фотоэффекта обнаруживается при освещении цинковой пластины, соединенной со стержнем электрометра. Если пластине и стержню передан положительный заряд, то электрометр не разряжается при освещении пластины. При сообщении пластине отрицательного электрического заряда электрометр разряжается, как только на пластину попадает ультрафиолетовое излучение. Этот опыт доказывает, что с поверхности металлической пластины под действием света могут освобождаться отрицательные электрические заряды. Измерение заряда и массы частиц, вырываемых светом, показало, что эти частицы – электроны. Фотоэффекты бывают нескольких видов: внешний и внутренний фотоэффект, вентильный фотоэффект и ряд других эффектов. Внешним фотоэффектом называют явление вырывания электронов из вещества под действием падающего на него света. Внутренним фотоэффектом называют появление свободных электронов и дырок в полупроводнике в результате разрыва связей между атомами за счет энергии света, падающего на полупроводник. Вентильным фотоэффектом называют возникновение под действием света электродвижущей силы в системе, содержащей контакт двух различных полупроводников или полупроводника и металла. 2.2 Эффект Комптона. Наиболее полно корпускулярные свойства света проявляются в эффекте Комптона. Американский физик А. Комптон (1892-1962), исследуя в 1923 г. Рассеяние монохроматического рентгеновского излучения веществами с лёгкими атомами (парафин, бор), обнаружил, что в составе рассеянного излучения наряду с излучением первоначальной длины волны наблюдается также более длинноволновое излучение. Эффектом Комптона называется упругое рассеяние коротковолнового электромагнитного излучения (рентгеновского и гамма-излучений) на свободных(или слабосвязанных) электронах вещества, сопровождающееся увеличением длины волны. Этот эффект не укладывается в рамки волновой теории, согласно которой длина волны при рассеянии изменяться не должна: под действием периодического поля световой волны электрон колеблется с частотой поля и поэтому излучает рассеянные волны той же частоты. Объяснение эффекта Комптона дано на основе квантовых представлений о природе света. Если считать, как это делает квантовая теория, что излучение имеет корпускулярную природу. Эффект Комптона наблюдается не только на электронах, но и на других заряженных частицах, например протонах, однако из-за большой массы протона его отдача «просматривается» лишь при рассеянии фотонов очень высоких энергий. Как эффект Комптона, так и фотоэффект на основе квантовых представлений обусловлены взаимодействием фотонов с электронами. В первом случае фотон рассеивается, во втором- поглощается. Рассеяние происходит при взаимодействии фотона со свободными электронами, а фотоэффект – со связанными электронами. Можно показать, что при столкновении фотона со свободными электронами не может произойти поглощения фотона, так как это находится в противоречии с законами сохранения импульса и энергии. Поэтому при взаимодействии фотонов со свободными электронами может наблюдаться только их рассеяние, .т.е. эффект Комптона. Заключение. Итак, свет корпускулярен в том смысле, что его энергия, импульс, масса и спин локализованы в фотонах, а не размыты в пространстве, но не в том, что фотон может находиться в данном точно определенном месте пространства. Свет ведет себя как волна в том смысле, что распространение и распределение фотонов в пространстве носят вероятный характер: вероятность того, что фотон находится в данной точке определяется квадратом амплитуды в этой точке. Но вероятностный (волновой) характер распределения фотонов в пространстве не означает, что фотон в каждый момент времени находится в какой-то одной точке. Таким образом, свет сочетает в себе непрерывность волн и дискретность частиц. Если учтем, что фотоны существуют только при движении (со скоростью с), то приходим к выводу, что свету одновременно присущи как волновые, так и корпускулярные свойства. Но в некоторых явлениях при определенных условиях основную роль играют или волновые, или корпускулярные свойства и свет можно рассматривать или как волну, или как частицы (корпускулы). Список использованной литературы. 1) А. А. Детлаф Б. М. Яворский «Курс физики» изд. « Высшая школа» 2000 г. 2) Т. И. Трофимова «Курс физики» изд. « Высшая школа» 2001 г. 3) Х. Кухлинг «Справочник по физике» изд. « Мир» 1982 г. 4) Гурский И. П. « Элементарная физика» под ред. И.В. Савельева 1984 г. 5) Тарасов Л. В., Тарасова А. Н. « Беседы о преломлении света» /под ред. В. А. Фабриканта, изд. « Наука», 1982.
Дифракция электронов
Совсем другое дело — электрон. Масса электрона равна кг, и столь малое значение массы (а стало быть, и импульса в формуле ) может дать длину волны де Бройля, достаточную для экспериментального обнаружения волновых свойств.
Впервые это было сделано в знаменитом эксперименте американских физиков Дэвиссона и Джермера (1927 год). Дифракция электронов на кристаллах была обнаружена! Как и ожидалось, полученная дифракционная картина имела тот же характер, что и при дифракции на кристаллической решётке рентгеновских лучей.
Впоследствии волновые свойства были обнаружены и у более крупных частиц: протонов, нейтронов, атомов и молекул. Гипотеза де Бройля, таким образом, получила надёжное опытное подтверждение.
Вопросы о природе света и вещества имеют многовековую историю, однако до определённого времени считалось, что ответы на них обязаны быть однозначными: свет — либо поток частиц, либо волна; вещество либо состоит из отдельных частиц, подчиняющихся классической механике
, либо представляет собой сплошную среду.
Атомно-молекулярное учение
на протяжении своего развития долго оставалось в статусе лишь одной из возможных теорий, однако к концу XIX века существование атомов и молекул уже не вызывало сомнений. В 1897 году Томсон экспериментально обнаружил электрон, а в 1911 году Резерфорд открыл ядро атома. Была разработана боровская модель атома
, в которой электрон подразумевался точечной или очень малой частицей. Однако модель Бора была не вполне последовательна, требовалась другая теория.
Корпускулярная теория света
, представляющая световой луч как поток отдельных частиц, была популярна в Новое время — самым известным из её сторонников был внёсший большой вклад в изучение света Исаак Ньютон
. Однако в XIX веке были сформулированы принцип Гюйгенса — Френеля
и затем уравнения Максвелла
, прекрасно описывавшие свет как волну, состоящую из колебаний электромагнитного поля. Взаимодействие электромагнитной волны с веществом успешно описывалось классической теорией поля
.
Казавшееся устоявшимся волновое описание света оказалось неполным, когда в 1901 году Планк получил формулу для спектра излучения абсолютно чёрного тела
, а затем Эйнштейн объяснил фотоэффект
, опираясь на предположение, что свет с определённой длиной волны излучается и поглощается исключительно определёнными порциями. Такая порция — квант
света, позднее названный фотоном, — переносит энергию, пропорциональную частоте световой волны с коэффициентом
— постоянная Планка
. Таким образом, оказалось, что свет проявляет не только волновые, но и корпускулярные свойства.
Французский учёный Луи де Бройль
(1892—1987), развивая представления о двойственной корпускулярно-волновой природе света
, выдвинул в 1923 году
гипотезу
об универсальности корпускулярно-волнового дуализма. Он утверждал, что не только фотоны
, но и электроны
и любые другие частицы материи
наряду с корпускулярными
обладают также волновыми
свойствами.
Согласно де Бройлю, с каждым микрообъектом связываются, с одной стороны, корпускулярные характеристики — энергия
и импульс
, а с другой стороны — волновые характеристики — частота
и длина волны
.
Более конкретное и корректное воплощение принцип корпускулярно-волнового дуализма получил в «волновой механике» Шрёдингера, которая затем превратилась в современную квантовую механику.
Вскоре Джордж Томсон
и Клинтон Джозеф Дэвиссон
с Лестером Джермером
независимо обнаружили дифракцию электронов, дав тем самым убедительное подтверждение реальности волновых свойств электрона и правильности квантовой механики.
Так как дифракционная картина
исследовалась для потока электронов, то необходимо было доказать, что волновые свойства присущи каждому электрону в отдельности. Это удалось экспериментально
подтвердить в 1948 году советскому физику В. А. Фабриканту
. Он показал, что даже в случае столь слабого электронного пучка, когда каждый электрон проходит через прибор независимо от других, возникающая при длительной экспозиции
дифракционная картина не отличается от дифракционных картин, получаемых при короткой экспозиции для потоков электронов в десятки миллионов раз более интенсивных.
Можно сказать, что для атомного объекта существует потенциальная возможность проявлять себя, в зависимости от внешних условий, либо как волна, либо как частица, либо промежуточным образом. Именно в этой потенциальной возможности различных проявлений свойств, присущих микрообъекту, и состоит дуализм волна — частица. Всякое иное, более буквальное, понимание этого дуализма в виде какой-нибудь модели неправильно.
Энергия фотона
Импульс фотона
Максвелл на основе электромагнитной теории света предсказал, что свет должен оказывать давление на препятствия.
Под действием электрического поля волны, падающей на поверхность тела, например металла, свободный электрон движется в сторону, противоположную вектору \( \vec \) .
На движущийся электрон действует сила Лоренца, направленная в сторону распространения волны. Суммарная сила, действующая на электроны поверхности металла, и определяет силу светового давления.
Для доказательства справедливости теории Максвелла было важно измерить давление света. Многие ученые пытались это сделать, но безуспешно, так как световое давление очень мало. В яркий солнечный день на поверхности площадью 1 м 2 действует сила, равная всего лишь 4·10 -6 Н.
Впервые давление света измерил русский физик Петр Николаевич Лебедев в 1900 г. Прибор Лебедева состоял из очень легкого стерженька на тонкой стеклянной нити, по краям которого были приклеены легкие крылышки. Весь прибор помещался в сосуд, откуда был выкачан воздух. Свет падал на крылышки, расположенные по одну сторону от стерженька. О значении давления можно было судить по углу закручивания нити. Трудность точного измерения давления света была связана с невозможностью создать вакуум (движение молекул воздуха, вызванное неодинаковым нагревом крылышек и стенок сосуда, приводит к возникновению дополнительных вращающих моментов). На закручивание нити влияет и неодинаковый нагрев сторон крылышек (сторона, обращенная к источнику света, нагревается сильнее, чем противоположная сторона). Молекулы, отражающиеся от более нагретой стороны, передают крылышку больший импульс, чем молекулы, отражающиеся от менее нагретой стороны.
Лебедев сумел преодолеть все эти трудности, взяв очень большой сосуд и очень тонкие крылышки. Полученное значение совпало с предсказанным Максвеллом. Впоследствии после трех лет работы Лебедеву удалось осуществить еще более тонкий эксперимент: измерить давление света на газы.
Появление квантовой теории света позволило более просто объяснить причину светового давления. Фотоны, подобно частицам вещества, имеющим массу покоя, обладают импульсом. При поглощении их телом они передают ему свой импульс. Согласно закону сохранения импульса импульс тела становится равным импульсу поглощенных фотонов. Поэтому покоящееся тело приходит в движение. Изменение импульса тела означает, согласно второму закону Ньютона, что на тело действует сила.
Важно!
Опыты Лебедева можно рассматривать как экспериментальное доказательство того, что фотоны обладают импульсом.
Хотя световое давление очень мало в обычных условиях, оно является существенным в недрах звезд. При температуре в несколько десятков миллионов Кельвинов давление электромагнитного излучения достигает громадных значений и совместно с гравитационными силами обеспечивает стабильное состояние звезд.
Давление света, согласно электродинамике Максвелла, возникает из-за действия силы Лоренца на электроны среды, колеблющиеся под действием электрического поля электромагнитной волны. С точки зрения квантовой теории давление появляется в результате передачи телу импульсов фотонов при их поглощении:
где \( \rho \) – коэффициент отражения, \( N \) – количество всех фотонов, падающих на единицу поверхности в единицу времени.
Фотоны
Электромагнитное излучение имеет квантовый характер, т. е. излучается и поглощается веществом в виде отдельных частиц электромагнитного поля – фотонов.
Основные свойства фотона:
- является частицей электромагнитного поля;
- движется со скоростью света;
- существует только в движении;
- масса покоя равна нулю;
- заряд равен нулю.
Равенство нулю массы фотона означает невозможность его нахождения в покоящемся состоянии. Фотон всегда движется, причем только со скоростью света.
согласно теории относительности \( E=mc^2,E=h\nu, \)
Эффект Штарка
Наиболее ярко корпускулярно-волновой дуализм проявляется у элементарных частиц. Электрон, нейтрон, фотон в одних условиях ведут себя как локализованные в пространстве материальные объекты—частицы, обладающие определенными энергиями и импульсами, а в других — как волны, что проявляется в их способности к интерференции и дифракции.
