Hissəcik-dalğa dualizmi təcrübəsi. Dalğa-hissəcik ikiliyi

Dalğa-hissəcik ikiliyi– hər hansı mikrohissəciyin hissəcik (korpuskul) və dalğa əlamətlərini aşkar etmək xüsusiyyəti. Dalğa-hissəcik ikiliyi ən aydın şəkildə elementar hissəciklərdə özünü göstərir. Elektron, neytron, foton bəzi şəraitdə kosmosda yaxşı lokallaşdırılmış maddi cisimlər (hissəciklər) kimi klassik trayektoriyalar üzrə müəyyən enerji və impulslarla hərəkət edir, digərlərində isə dalğalar kimi davranır ki, bu da onların hərəkət etmək qabiliyyətində təzahür edir. müdaxilə və difraksiya. Beləliklə, sərbəst elektronlara səpələnən elektromaqnit dalğası, elektromaqnit sahəsinin kvantları olan (Kompton effekti) olan fərdi hissəciklərin - fotonların axını kimi davranır və fotonun impulsu p = h/λ düsturu ilə verilir, burada λ elektromaqnit dalğasının uzunluğu, h isə Plank sabitidir. Bu düstur özlüyündə dualizmin sübutudur. Orada solda fərdi hissəciyin (fotonun) impulsu, sağda isə fotonun dalğa uzunluğu var. Bizim zərrəciklər hesab etməyə adət etdiyimiz elektronların ikililiyi onda özünü göstərir ki, monokristalın səthindən əks olunduqda elektronların dalğa xassələrinin təzahürü olan difraksiya nümunəsi müşahidə olunur. Elektronun korpuskulyar və dalğa xarakteristikası arasında kəmiyyət əlaqəsi fotonla eynidir: р = h/λ (r elektronun impulsudur, λ isə onun de Broyl dalğa uzunluğudur). Dalğa-hissəcik ikiliyi kvant fizikasının əsasını təşkil edir.

Dalğa (xəz) həmişə kosmosda müəyyən bir həcm tutan maddi mühitlə əlaqəli bir prosesdir.

64. De Broglie dalğaları. Elektron difraksiyası Mikrohissəciklərin dalğa xassələri.

Maddənin korpuskulyar-dalğa xassələri haqqında fikirlərin inkişafı mikrohissəciklərin hərəkətinin dalğa xarakteri haqqında fərziyyədə qəbul edilmişdir. Louis de Broglie, maddə və işığın hissəcikləri üçün təbiətdəki simmetriya ideyasından, hər hansı bir mikrohissəcikə müəyyən bir daxili dövri prosesi aid etdi (1924). E = hν və E = mc 2 düsturlarını birləşdirərək, hər hansı bir hissəciyin özünə məxsus olduğunu göstərən bir əlaqə əldə etdi. dalğa uzunluğu : λ B = h/mv = h/p, burada p dalğa-zərrəciyin impulsudur. Məsələn, enerjisi 10 eV olan elektron üçün de Broyl dalğa uzunluğu 0,388 nm-dir. Sonradan göstərildi ki, kvant mexanikasında mikrohissəciklərin vəziyyəti müəyyən bir komplekslə təsvir edilə bilər. dalğa funksiyası koordinatları Ψ(q) və bu funksiyanın kvadrat modulu |Ψ| 2 koordinat qiymətlərinin ehtimal paylanmasını müəyyən edir. Bu funksiya ilk dəfə 1926-cı ildə Şrödinger tərəfindən kvant mexanikasına daxil edilmişdir. Beləliklə, de Broyl dalğası enerji daşımır, ancaq kosmosda bəzi ehtimal olunan dövri prosesin “faza paylanmasını” əks etdirir. Nəticədə, mikrodünya obyektlərinin vəziyyətinin təsviri ehtimal xarakteri, klassik mexanika qanunları ilə təsvir edilən makrodünyanın obyektlərindən fərqli olaraq.

De Broylun mikrohissəciklərin dalğa təbiəti haqqındakı fikrini sübut etmək üçün alman fiziki Elsasser elektron difraksiyasını müşahidə etmək üçün kristallardan istifadə etməyi təklif etdi (1925). ABŞ-da K. Davisson və L. Germer nikel kristalının lövhəsindən elektron şüası keçən zaman difraksiya hadisəsini kəşf etmişlər (1927). Onlardan asılı olmayaraq metal folqadan keçən elektronların difraksiyasını İngiltərədə J.P.Tomson və P.S. Tartakovski SSRİ-də. Beləliklə, de Broglinin maddənin dalğa xassələri haqqında fikri eksperimental təsdiqini tapdı. Sonralar atom və molekulyar şüalarda difraksiya və buna görə də dalğa xüsusiyyətləri kəşf edildi. Təkcə fotonlar və elektronlar deyil, bütün mikrohissəciklər də hissəcik-dalğa xüsusiyyətlərinə malikdir.

Mikrohissəciklərin dalğa xassələrinin kəşfi göstərdi ki, klassik fizika nöqteyi-nəzərindən keyfiyyətcə fərqli hesab edilən sahə (fasiləsiz) və maddə (diskret) kimi materiya formaları müəyyən şəraitdə hər iki formaya xas olan xassələri nümayiş etdirə bilər. Bu, maddənin bu formalarının birliyindən danışır. Onların xassələrinin tam təsviri yalnız əks, lakin bir-birini tamamlayan fikirlər əsasında mümkündür.

Son yüz il ərzində elm dünyamızın strukturunu həm mikroskopik, həm də makroskopik səviyyədə öyrənməkdə böyük irəliləyişlər əldə etmişdir. Xüsusi və ümumi nisbilik nəzəriyyələri və kvant mexanikasının bizə gətirdiyi heyrətamiz kəşflər hələ də ictimaiyyətin şüurunu həyəcanlandırır. Bununla belə, hər bir savadlı insan ən azı müasir elmi nailiyyətlərin əsaslarını başa düşməlidir. Ən təsirli və vacib məqamlardan biri dalğa-hissəcik ikiliyidir. Bu paradoksal bir kəşfdir, onun dərk edilməsi intuitiv gündəlik qavrayışdan kənardır.

Korpuskullar və dalğalar

Dualizm ilk dəfə şəraitdən asılı olaraq tamamilə fərqli davranan işığın tədqiqində aşkar edilmişdir. Bir tərəfdən işığın optik elektromaqnit dalğası olduğu ortaya çıxdı. Digər tərəfdən, diskret hissəcik (işığın kimyəvi təsiri) var. Əvvəlcə elm adamları bu iki fikrin bir-birini istisna etdiyinə inanırdılar. Lakin çoxsaylı təcrübələr bunun belə olmadığını göstərdi. Tədricən dalğa-hissəcik ikiliyi kimi bir konsepsiyanın reallığı adi hala çevrildi. Bu konsepsiya nə dalğalar, nə də hissəciklər olmayan, yalnız müəyyən şərtlərdən asılı olaraq sonuncunun və ya birincinin xassələrini əldə edən mürəkkəb kvant obyektlərinin davranışını öyrənmək üçün əsas verir.

İkiqat yarıq təcrübəsi

Fotonun difraksiyası dualizmin bariz nümayişidir. Yüklü hissəciklərin detektoru foto lövhə və ya flüoresan ekrandır. Hər bir fərdi foton işıqlandırma və ya ləkə ilə işarələnmişdir. Bu cür işarələrin birləşməsi müdaxilə nümunəsi verdi - dalğa difraksiyasının xarakterik xüsusiyyəti olan zəif və güclü işıqlandırılmış zolaqların növbələşməsi. Bu, dalğa-hissəcik ikiliyi kimi bir konsepsiya ilə izah olunur. Məşhur fizik və Nobel mükafatı laureatı Riçard Feynman dedi ki, maddə kiçik miqyasda elə davranır ki, kvant davranışının “təbiiliyini” hiss etmək mümkün deyil.

Universal dualizm

Ancaq bu təcrübə təkcə fotonlar üçün keçərli deyil. Məlum oldu ki, dualizm bütün materiyaya xasdır və o, universaldır. Heisenberg, maddənin hər iki formada alternativ olaraq mövcud olduğunu müdafiə etdi. Bu gün hər iki xüsusiyyətin tamamilə eyni vaxtda göründüyü tamamilə sübut edilmişdir.

Korpuskulyar dalğa

Maddənin bu davranışını necə izah edə bilərik? Korpuskullara (hissəciklərə) xas olan dalğa bu problemin həllini təklif edən gənc aristokrat alimin adını daşıyan de Broyl dalğası adlanır. Ümumiyyətlə qəbul edilir ki, de Broyl tənlikləri dalğa funksiyasını təsvir edir, o, kvadrat şəklində yalnız hissəciyin müxtəlif vaxtlarda fəzanın müxtəlif nöqtələrində olması ehtimalını təyin edir. Sadə dillə desək, de Brogli dalğası bir ehtimaldır. Beləliklə, riyazi anlayış (ehtimal) ilə real proses arasında bərabərlik yarandı.

Kvant sahəsi

Maddənin cisimcikləri hansılardır? Ümumiyyətlə, bunlar dalğa sahələrinin kvantlarıdır. Foton elektromaqnit sahəsinin kvantıdır, pozitron və elektron elektron-pozitron sahəsidir, mezon mezon sahəsinin kvantıdır və s. Dalğa sahələri arasında qarşılıqlı təsir onların arasında müəyyən ara hissəciklərin mübadiləsi ilə izah olunur, məsələn, elektromaqnit qarşılıqlı təsir zamanı fotonların mübadiləsi baş verir. Bundan birbaşa de Broyl tərəfindən təsvir edilən dalğa proseslərinin tamamilə real fiziki hadisələr olduğunun başqa bir təsdiqi gəlir. Və hissəcik-dalğa dualizmi hissəciklərin “reinkarnasiya” qabiliyyətini xarakterizə edən “sirli gizli xüsusiyyət” kimi çıxış etmir. O, bir-biri ilə əlaqəli iki hərəkəti - obyektin hərəkətini və onunla əlaqəli dalğa prosesini aydın şəkildə nümayiş etdirir.

Tunel effekti

İşığın dalğa-hissəcik ikiliyi bir çox başqa maraqlı hadisələrlə əlaqələndirilir. De Broglie dalğasının hərəkət istiqaməti sözdə tunel effekti zamanı, yəni fotonlar enerji maneəsindən keçdikdə görünür. Bu fenomen dalğa antinodu anında hissəcik impulsunun orta dəyəri aşması ilə əlaqədardır. Tunellərin çəkilməsi bir çox elektron cihazların hazırlanmasını mümkün etmişdir.

İşıq kvantlarının müdaxiləsi

Müasir elm elektronların müdaxiləsi ilə eyni sirli şəkildə fotonların interferensiyasından danışır. Belə çıxır ki, bölünməz zərrəcik olan foton özünə açıq olan istənilən yoldan eyni vaxtda keçib özünə müdaxilə edə bilər. Nəzərə alsaq ki, maddənin və fotonun xassələrinin dalğa-hissəcik ikiliyi bir çox struktur elementləri əhatə edən dalğadır, onda onun bölünmə qabiliyyəti istisna edilmir. Bu, elementar bölünməz formalaşma kimi hissəciyin əvvəlki fikirləri ilə ziddiyyət təşkil edir. Müəyyən bir hərəkət kütləsinə sahib olan foton, bu hərəkətlə əlaqəli uzununa dalğa meydana gətirir, bu da hissəciyin özündən əvvəl olur, çünki uzununa dalğanın sürəti eninə elektromaqnit dalğasının sürətindən daha böyükdür. Buna görə də, fotonun özü ilə müdaxiləsinin iki izahı var: hissəcik bir-birinə müdaxilə edən iki komponentə bölünür; Foton dalğası iki yol boyunca hərəkət edir və müdaxilə nümunəsi yaradır. Eksperimental olaraq müəyyən edilmişdir ki, tək yüklü hissəciklər-fotonlar növbə ilə interferometrdən keçirildikdə də interferensiya nümunəsi yaranır. Bu, hər bir fərdi fotonun özünə müdaxilə etdiyi tezisini təsdiqləyir. İşığın (nə koherent, nə də monoxromatik) bir-biri ilə əlaqəli və təsadüfi proseslərdə atomlar tərəfindən buraxılan fotonlar toplusu olduğunu nəzərə aldıqda bu, xüsusilə aydın görünür.

işıq nədir?

İşıq dalğası kosmosda yayılan, lokallaşdırılmamış elektromaqnit sahəsidir. Dalğanın elektromaqnit sahəsi amplitudanın kvadratına mütənasib olan həcmli enerji sıxlığına malikdir. Bu o deməkdir ki, enerji sıxlığı istənilən miqdarda dəyişə bilər, yəni davamlıdır. Bir tərəfdən, işıq hissəcik-dalğa ikiliyi kimi bir fenomenin universallığı sayəsində elektromaqnit dalğasının xüsusiyyətlərini təmsil edən kvant və fotonların (korpuskulların) axınıdır. Məsələn, müdaxilə və difraksiya hadisələri və miqyasda işıq dalğanın xüsusiyyətlərini aydın şəkildə nümayiş etdirir. Məsələn, yuxarıda təsvir olunduğu kimi tək bir foton ikiqat yarıqdan keçərək müdaxilə nümunəsi yaradır. Təcrübələrin köməyi ilə tək bir fotonun elektromaqnit impuls olmadığı sübut edilmişdir. Fransız fizikləri Aspe, Roger və Qranjyerin göstərdiyi kimi, onu şüa ayırıcıları olan şüalara bölmək olmaz.

İşıq həm də Kompton effektində və fotoelektrik effektdə özünü göstərən korpuskulyar xüsusiyyətlərə malikdir. Foton, ölçüləri dalğa uzunluğundan (məsələn, atom nüvəsi) çox kiçik olan cisimlər tərəfindən tamamilə udulan hissəcik kimi davrana bilər. Bəzi hallarda fotonları ümumiyyətlə nöqtə obyektləri hesab etmək olar. İşığın xüsusiyyətlərini hansı mövqedə saymağımızın heç bir fərqi yoxdur. Rəng görmə sahəsində işıq axını həm dalğa, həm də enerji kvantı kimi hissəcik-foton kimi çıxış edə bilər. Konus membranı kimi torlu qişanın fotoreseptoruna fokuslanmış ləkə gözün işığın əsas spektral şüaları kimi öz süzülmüş dəyərini formalaşdırmağa və onları dalğa uzunluqlarına ayırmağa imkan verə bilər. Kvant enerji dəyərlərinə görə, beyində obyekt nöqtəsi rəng duyğusuna çevriləcək (fokuslanmış optik görüntü).

İkili dalğa-hissəcik davranışı nümayiş etdirən obyektlərin tipik nümunələri elektronlar və işıqdır; Prinsip daha böyük obyektlər üçün də keçərlidir, lakin, bir qayda olaraq, obyekt nə qədər kütləvi olarsa, onun dalğa xassələri bir o qədər az təzahür edir (burada bir çox hissəciklərin, məsələn, səthdəki dalğaların kollektiv dalğa davranışından danışmırıq. mayedən).

Dalğa-hissəcik ikiliyi ideyası kvant mexanikasının inkişafında mikrodünyada müşahidə olunan hadisələri klassik anlayışlar baxımından şərh etmək üçün istifadə edilmişdir. Reallıqda kvant obyektləri nə klassik dalğalar, nə də klassik hissəciklərdir, yalnız onların üzərində aparılan təcrübələrin şərtlərindən asılı olaraq birincinin və ya sonuncunun xüsusiyyətlərini nümayiş etdirirlər. Dalğa-hissəcik ikiliyi klassik fizika çərçivəsində izah edilə bilməz və yalnız kvant mexanikasında şərh edilə bilər.

Dalğa-hissəcik ikiliyi konsepsiyasının sonrakı inkişafı kvant sahəsi nəzəriyyəsində kvantlaşdırılmış sahələr konsepsiyası oldu.

De Broglie dalğaları

Dalğa-hissəcik ikiliyi prinsipi de Broyl dalğaları ideyasında kəmiyyət ifadəsini alır. Dalğa və korpuskulyar xassələri eyni vaxtda nümayiş etdirən hər hansı bir obyekt üçün impuls arasında əlaqə mövcuddur p (\displaystyle \mathbf (p)) və enerji E (\displaystyle E), hissəcik kimi bu obyektə xasdır və onun dalğa parametrləri - dalğa vektoru k (\displaystyle \mathbf (k)), dalğa uzunluğu λ (\displaystyle \lambda), tezlik ν (\displaystyle \nu ), siklik tezlik ω (\displaystyle \omega). Bu əlaqə əlaqələrlə verilir:

Harada ℏ (\displaystyle \hbar) Və h = 2 π ℏ (\displaystyle h=2\pi \hbar )- müvafiq olaraq azaldılmış və adi Plank sabiti. Bu düsturlar relativistik enerji və impuls üçün doğrudur.

De Broyl dalğası mikrodünyanın hər hansı hərəkət edən obyekti ilə uyğunlaşdırılır; Beləliklə, de Broyl dalğaları şəklində həm işıq, həm də kütləvi hissəciklər müdaxilə və difraksiyaya məruz qalır. Eyni zamanda, hissəciyin kütləsi nə qədər çox olarsa, onun eyni sürətlə de-Broyl dalğa uzunluğu da bir o qədər qısa olar və dalğa xassələrini qeydə almaq bir o qədər çətindir. Kobud desək, ətrafı ilə qarşılıqlı əlaqədə olarkən, de-Broyl dalğasının uzunluğu onun mühitində mövcud olan xarakterik ölçülərdən çox kiçikdirsə, cisim özünü hissəcik kimi, daha uzundursa, dalğa kimi davranır; aralıq vəziyyəti ancaq tam hüquqlu kvant nəzəriyyəsi çərçivəsində təsvir etmək olar.

De Broyl dalğasının fiziki mənası belədir: kosmosun müəyyən bir nöqtəsində dalğanın amplitudasının kvadratı, onun mövqeyi ölçüldükdə, verilmiş nöqtədə bir hissəciyi aşkar etmək ehtimalının sıxlığına bərabərdir. Eyni zamanda, ölçmə həyata keçirilənə qədər, hissəcik əslində hər hansı bir xüsusi yerdə yerləşmir, lakin de Broyl dalğası şəklində kosmosda "yaxılır".

İnkişaf tarixi

İşığın və maddənin təbiəti ilə bağlı sualların uzun bir tarixi var, lakin müəyyən vaxta qədər onlara cavabların birmənalı olması lazım olduğuna inanılırdı: işıq ya hissəciklər axını, ya da dalğadır; maddə ya klassik mexanikaya tabe olan fərdi hissəciklərdən ibarətdir, ya da davamlı mühitdir.

1901-ci ildə Plank tamamilə qara cismin şüalanma spektri üçün bir düstur əldə etdikdə və sonra Eynşteyn işığın müəyyən dalğa uzunluğuna malik olduğu fərziyyəsinə əsaslanaraq fotoelektrik effekti izah etdikdə işığın görünən dalğa təsviri natamam oldu. yalnız müəyyən hissələrdə buraxılır və udulur. Belə bir hissə - sonradan foton adlanan işıq kvantı - enerjini işıq dalğasının tezliyinə mütənasib bir əmsalla ötürür. h (\displaystyle h)- Plank sabiti. Beləliklə, işıq yalnız dalğa deyil, həm də korpuskulyar xüsusiyyətlər nümayiş etdirdiyi ortaya çıxdı.

Dalğa-hissəcik ikiliyi prinsipi Şrödingerin “dalğa mexanikasında” daha spesifik və düzgün təcəssüm aldı, sonra müasir kvant mexanikasına çevrildi.

İşığın dalğa-hissəcik ikiliyi

Dalğa-hissəcik ikiliyi prinsipinin tətbiqinin klassik nümunəsi kimi işığı bir çox fiziki effektlərdə klassik elektromaqnit dalğalarının xassələrini nümayiş etdirən korpuskullar (fotonlar) axını kimi şərh etmək olar. İşıq, işığın dalğa uzunluğu ilə müqayisə olunan miqyaslarda difraksiya və müdaxilə hadisələrində dalğa xassələri nümayiş etdirir. Məsələn, hətta subay qoşa yarıqdan keçən fotonlar ekranda Maksvell tənlikləri ilə müəyyən edilən müdaxilə nümunəsi yaradır.

Lakin təcrübə göstərir ki, foton elektromaqnit şüalanmasının qısa impulsu deyil, məsələn, 1986-cı ildə fransız fizikləri Qranjyer, Rocer və Aspe tərəfindən aparılan təcrübədə aydın şəkildə göstərildiyi kimi, onu optik şüa ayırıcılar vasitəsilə bir neçə şüaya bölmək olmaz. . İşığın korpuskulyar xassələri tarazlıq istilik şüalanmasının nümunələrində, fotoelektrik effektdə və Kompton effektində özünü göstərir. Foton həm də ölçüləri dalğa uzunluğundan (məsələn, atom nüvələri) çox kiçik olan və ya ümumiyyətlə nöqtəvari sayıla bilən (məsələn, elektron) cisimlər tərəfindən buraxılan və ya tamamilə udulan hissəcik kimi davranır.

Elektromaqnit şüalanmasının dalğa uzunluğu nə qədər qısa olarsa, fotonların enerjisi və impulsu bir o qədər çox olar və bu şüalanmanın dalğa xüsusiyyətlərini aşkar etmək bir o qədər çətinləşər. Məsələn, rentgen şüaları yalnız çox "nazik" difraksiya ızgarasında - bərk cismin kristal şəbəkəsində difraksiya edir.

Böyük obyektlərin dalğa davranışı

Dalğa davranışını yalnız elementar hissəciklər və nuklonlar deyil, həm də daha böyük obyektlər - molekullar nümayiş etdirir. 1999-cu ildə ilk dəfə fullerenlərin difraksiyası müşahidə edilmişdir. 2013-cü ildə 10.000 amu-dan çox kütləsi olan molekulların difraksiyasına nail olunub. , hər biri 800-dən çox atomdan ibarətdir.

Bununla belə, kütləsi Plank kütləsindən daha böyük olan cisimlərin prinsipcə dalğa davranışı nümayiş etdirə bilməyəcəyi tam dəqiq deyil.

həmçinin bax

Qeydlər

1. “Korpuskul” sözü “hissəcik” deməkdir və dalğa-hissəcik ikiliyi kontekstindən kənarda praktiki olaraq istifadə edilmir.
2. Gershtein S.S. Dalğa-hissəcik ikiliyi// Fiziki ensiklopediya: [5 cilddə] / Ç. red. A. M. Proxorov. - M.: Sovet Ensiklopediyası, 1990. - T. 2: Keyfiyyət faktoru - Magneto-optics. - səh. 464-465. - 704 səh. - 100.000 nüsxə. -

Fizikada “dualizm” termini geniş mənada:

1) fiziki obyektlərdə əks xüsusiyyətlərin olması;

2) fiziki hadisələrin təsviri və izahı zamanı əks anlayışlardan istifadə;

3) fiziki hadisələri tənzimləyən qanunların tərtibində əks (bir-birini istisna edən) ifadələrin olması.

Dualizmin ən əsas təzahürləri bunlardır:

1) elementar hissəciklərin xassələrində hissəcik-dalğa dualizmi;

2) təbiətdə hissəciklərin və antihissəciklərin, əks elektrik yüklərinin, lepton və barion nömrələrinin müxtəlif əlamətlərinin olması (bax. IV hissə, § 23) və s.;

3) maddə hissəciklərinin və güc sahələrinin, yəni “korpuskulyar” və “sahə” materiyasının əks xassələri;

4) “enerji” və “iş” anlayışlarından istifadə;

5) fiziki sistemlərdə eyni vaxtda hərəkəti fiziki sistemlərin xassələrini müəyyən edən itələyici və cəlbedici qüvvələrin mövcudluğu;

6) fiziki sistemlərin xassələrində kəmiyyət və keyfiyyət dəyişiklikləri arasında əlaqə;

7) fizika qanunlarında birmənalılıq və ehtimal;

8) təbiətdəki diskretlik və davamlılıq, onlar arasındakı əlaqə və s.

Dualizmin mahiyyəti (yəni "əks xassələr", "anlayışlar", "bəyanatlar" terminlərinin məzmunu) elementar hissəciklərin (fotonlar, elektronlar və s.) korpuskulyar və dalğa xassələrinin birləşməsinin nümunəsi ilə göstərilə bilər. . Mətn (IV hissə, § 10-12) göstərdi ki:

1) hissəciklərin korpuskulyar və dalğa xassələri bir-birindən ayrılmazdır. Hər bir hissəcik vəhdətdə bu xüsusiyyətlərin hər ikisinə malikdir

qarşılıqlı şərtlilik və zərrəciyi bu xüsusiyyətlərdən birindən məhrum etməyin heç bir yolu yoxdur. Göründüyü kimi, yalnız korpuskulyar və ya yalnız dalğa xüsusiyyətlərinə malik olan hissəciklər yoxdur;

2) korpuskulyar və dalğa xassələri bir-birinə azalmazdır. Bu o deməkdir ki, hissəciyin dalğa xassələri korpuskulyar xüsusiyyətlər vasitəsilə izah edilə bilməz və əksinə;

3) korpuskulyar və dalğa xassələri ayrılmaz şəkildə bağlıdır.

Mikrofiziki sistemləri və prosesləri təsvir edən kvant fizikasının əsasında dalğa-hissəcik ikiliyi dayanır. Beləliklə, müasir fizikanın ən mühüm sahələrindən biri mahiyyət və məzmunca dualistikdir. Bir tərəfdən hissəciklərin və fiziki sistemlərin fasiləsiz dalğa funksiyası, digər tərəfdən isə bu eyni hissəciklərin və sistemlərin korpuskulyar xüsusiyyətləri kvant fizikasında vəhdət və qarşılıqlı əlaqədə mövcuddur. Bu dualizmi aradan qaldırmaq üçün edilən bütün cəhdlər uğursuz oldu. Buna görə də iddia etmək olar ki, kvant nəzəriyyəsində dualizm, məsələn, mikrofiziki sistemləri təsvir etməkdə çətinliklər nəticəsində yaranan müvəqqəti, təsadüfi, yan hadisə deyil, təbiətdə hökm sürən obyektiv dualizmin əksidir.

Təbiətdə dualizmin başqa bir təzahürünü - hissəciklərin və antihissəciklərin mövcudluğunu nəzərdən keçirək. Əvvəlcə qeyd edək ki, hissəciklərin fiziki xüsusiyyətlərini iki qrupa bölmək olar:

1) müxtəlif hissəciklər arasında yalnız ölçülərinə görə fərqlənən xüsusiyyətlər; Onlardan ən vacibi inert kütlədir. Qeyd edək ki, kütlə əlavə xüsusiyyət deyil (fiziki sistemin kütləsi sərbəst vəziyyətdə ölçülən tərkib hissəciklərinin kütlələrinin cəmindən azdır), o, hissəciyin vəziyyətindən (hərəkət sürəti) və şəraitdən asılıdır. hissəciyin yerləşdiyi yer (nüvə qüvvələri sahəsində nuklonların kütləsi nüvədən kənarda olan kütlədən fərqlənir);

2) keyfiyyətcə fərqlənən xüsusiyyətlər, məsələn, əks elektrik yükləri. Qeyd edək ki, yüklər aditivdir və hərəkət sürətindən və yüklənmiş hissəciklərin yerləşdiyi şəraitdən asılı deyildir. Bu o deməkdir ki, yüklər (həmçinin leptonik və barion nömrələri) inertial kütlədən daha çox hissəciklərin əsas xassələridir.

Elementar hissəciklər onlara xas olan bir sıra fundamental xüsusiyyətlərə görə çeşidlənə bilər. Bu xassələrin xarakterindən və sayından asılı olaraq “eyni” və ya “fərqli” hissəciklər kimi anlayışların məzmunu müəyyən edilir. Aydındır ki, hissəciklərin eyniliyi (və ya ümumiyyətlə fiziki cisimlər) eyniliyin məhdudlaşdırıcı halıdır, o zaman obyektlər arasında heç bir fərq yoxdur: nə onlara xas olan xüsusiyyətlər toplusunda, nə də onların quruluşunda, vəziyyətində və davranışında. müxtəlif şərtlər (belə eyni cisimlər eyni şəraitdə olan müəyyən tipli elementar hissəciklərdir). Fiziki cisimlərin ziddiyyəti, bu fərq tam olduqda, yəni cisimlər heç bir eyni xüsusiyyətə malik olmadıqda fərqliliyin ekstremal halı kimi qəbul edilməlidir.

Qeyd edək ki, hissəciklər və antihissəciklər bu mənada əks deyillər, çünki fərqli olmaqla yanaşı, eyni xassələrə də malikdirlər (məsələn, elektron və pozitron müxtəlif yüklərə malikdir, lakin eyni spin və istirahət kütləsi). Beləliklə, hissəciklər və antihissəciklər qütbdür, lakin əks obyektlər deyil.

Yuxarıda göstərilənlərlə əlaqədar olaraq aşağıdakı suallar ortaya çıxır:

1) təbiətdə “əks obyektlər” mövcuddurmu;

2) onlar arasında qarşılıqlı əlaqə mümkündürmü, bu qarşılıqlı əlaqənin xüsusiyyətləri və təbiətdəki əhəmiyyəti nədən ibarətdir;

3) eyni, qütblü və əks obyektlər arasında qarşılıqlı təsirlər necə fərqlənir?

Bu məsələlərin müzakirəsi mühüm ideoloji əhəmiyyətə malikdir; bu müzakirənin müsbət nəticələri ətrafımızdakı təbiətin necə işlədiyi barədə fikirlərimizi aydınlaşdırmağa imkan verəcək. Belə bir müzakirə konkret fəlsəfi sistem əsasında aparılmalı və fizikanın bütün sahələrinə təsir edəcəkdir. Xüsusilə, təbiətdəki əks obyektlərin "maddə" və "sahələr" olduğuna inanmaq olar. “Materiya” adətən elementar hissəciklərə və onlardan ibarət sistemlərə aiddir: atom nüvələri, atomlar, molekullar və s.; “Sahə” müxtəlif qüvvə sahələrinə aiddir: qravitasiya, elektromaqnit, nüvə və s. Sahələr haqqında iki fikir var. Onlardan biri hesab edir ki, sahələr davamlı olaraq maddə hissəcikləri ətrafındakı boşluğu doldurur və onlarla "xüsusi şəkildə" əlaqəli olmaqla, onlar arasındakı qarşılıqlı təsirin xarakterini və intensivliyini müəyyən edir. Başqa bir fikir hər bir sahənin maddə hissəcikləri tərəfindən buraxılan və udulan və bununla da onlar arasında qarşılıqlı təsir qüvvələri yaradan “xüsusi sahə hissəciklərindən” ibarət olduğunu göstərir. Məsələn, elektromaqnit sahəsinin fotonlardan ("fotonik qaz") ibarət olduğu hesab edilir; vahid həcmdə onların sayı çox böyükdürsə, elektromaqnit sahəsi özünü davamlı bir mühit kimi aparacaq; əgər bu rəqəm azdırsa və ayrı-ayrı fotonların iştirak etdiyi proseslər öyrənilirsə, o zaman davamlı mühit kimi elektromaqnit sahəsi anlayışı mənasını itirir.

Burada vurğulamaq lazımdır ki, materiya və sahələr haqqında hazırda mövcud olan fikirlər qəti hesab edilməməlidir. Eksperimental və nəzəri fizikanın inkişafı təkcə aydınlığa deyil, həm də təbiət və onda baş verən hadisələrin mahiyyəti haqqında təsəvvürlərimizdə köklü dəyişikliklərə səbəb ola bilər. Mümkündür ki, gələcəkdə monistik dünyagörüşləri qələbə çalsın, ona görə təbiət aşağıdakılardan ibarətdir: 1) ya yalnız maddənin zərrəcikləri, həm də sahə yalnız onların arasındakı qarşılıqlı əlaqəni təsvir etmək üsuludur; 2) ya yalnız müxtəlif sahələrdən, həm də maddə hissəcikləri yalnız onların “xüsusi nöqtələri”dir. Bununla belə, ola bilsin ki, bütün məlum eksperimental məlumatlar dualistik dünyagörüşü əsasında qənaətbəxş izahat alsın, burada materiya və sahələr əks obyektlər hesab olunur, bir-birindən ayrılmaz və ayrılmazdır, onların ayrılmaz qarşılıqlı əlaqəsi əsasdır. müşahidə etdiyimiz bütün təbiət hadisələrinin.

Dualizm fiziki hadisələrin ehtimal və birmənalı təsvirinin eyni vaxtda mövcudluğunda da aşkarlanır. Klassik, ciddi deterministik təsviri fizikadan kənarlaşdırmaq olmaz; fiziki hadisələrin ən çox ehtimal olunan gedişatını təsvir etmək lazımdır. Digər tərəfdən, tədqiq olunan obyektlərin (və bu halları təsvir edən fiziki kəmiyyətlərin) vəziyyətlərində həmişə səpələnmə olur və bu səpələnmə ehtimal xarakteri daşıyır. Hazırda təbiətdə ehtimal proseslərinin obyektiv mövcudluğu nəzəri və təcrübi cəhətdən əsaslandırılmış hesab edilir; kvant fizikasında (IV hissə, § 10, 11-ə baxın) elementar hissəciklərin və mikrosistemlərin davranışındakı unikallıq ümumiyyətlə inkar edilir. Bu, təbiətdəki unikallığın (determinizmin) tam inkarı demək deyil, yalnız fəaliyyət dairəsinin məhdudlaşdırılması deməkdir. Müəyyənlik və ehtimal dualistik anlayışlardır; onlar ayrılmazdır (ehtimallı səpilmə birmənalı qanunlara daxil edilən ən çox ehtimal olunan dəyərlər ətrafında mövcuddur), reduksiyasızdır (fiziki hadisələri təsvir etmək üçün yalnız bir üsulla məhdudlaşmaq mümkün deyil) və onların qarşılıqlı əlaqəsini demək olar ki, bütün sahələrində görmək olar. fizika.

Elementar zərrəciklərdə dualizm bu hissəciklərdən əmələ gələn fiziki sistemlərin xassələrinin formalaşmasında mühüm əhəmiyyət kəsb edir. Məlum mikrofiziki sistemləri nəzərə alsaq, onların son nəticədə müxtəlif hissəciklərdən əmələ gəldiyini görmək olar. Eyni hissəciklər ya qarşılıqlı təsir göstərmir, ya da bir-birini itələyir və keyfiyyətcə yeni xüsusiyyətlərə malik fiziki sistem əmələ gətirmir. Məsələn, protonlar, neytronlar və elektronlar ayrı-ayrılıqda fiziki sistemlər yaratmırlar, lakin birləşdikdə müxtəlif maddələrin nüvələrini və atomlarını əmələ gətirirlər. Mübahisə etmək olar ki, eyni elementar hissəciklər toplusunda həmişə onların xassələrinin sadə (əlavə) əlavəsi olur. Yalnız əks xassələrə malik hissəciklərin qarşılıqlı təsiri zamanı bu xassələrin xüsusi (keyfiyyətli) sintezi baş verir ki, bunun sayəsində fiziki sistemlər yeni xüsusiyyətlər əldə edirlər. Beləliklə, iddia etmək olar ki, keyfiyyətcə yeni xassələrin yaranması yalnız mahiyyətcə fərqli hissəciklərin qarşılıqlı təsiri nəticəsində mümkündür.

Təbiətin obyektiv dualizmi ən mühüm fiziki anlayışlarda əks olunur. Tipik bir nümunə diskretlik və davamlılıq anlayışlarıdır. Onlar bir-birinə reduksiya edilmir; əks halda bu anlayışlardan yalnız birini istifadə etməklə məhdudlaşdırıla bilər. Fizika tarixində hadisələrin təsvirindən diskretliyi və ya davamlılığı istisna etmək cəhdləri məlumdur, lakin onlar uğurlu alınmayıb. Onlar bir-birindən ayrılmazdır və bütün fiziki hadisələrdə ayrılmaz şəkildə bağlıdırlar, çünki onlar mütləq hissəcikləri və sahələri əhatə edir, əsas xassələri ilə diskretlik və davamlılıq elementlərini təqdim edirlər.

Sonda qeyd edirik ki, fizikanın özü bir elm kimi bir-birinə zidd olan iki hissənin - nəzəri və təcrübi hissənin qarşılıqlı təsiri əsasında inkişaf edir, bunlar ayrılmaz və bir-biri ilə əlaqəli, bir-birinə endirilməz və qarşılıqlı təsir göstərir, fiziki inkişafın istiqamətini və kursunu müəyyənləşdirir. elmlər.

Giriş

Demək olar ki, eyni vaxtda işığın iki nəzəriyyəsi irəli sürüldü: Nyutonun korpuskulyar nəzəriyyəsi və Hüygensin dalğa nəzəriyyəsi.

Nyutonun 17-ci əsrin sonlarında irəli sürdüyü korpuskulyar nəzəriyyəyə və ya çıxış nəzəriyyəsinə görə, işıqlı cisimlər bütün istiqamətlərdə düz uçan və gözə daxil olanda işıq hissi yaradan kiçik hissəciklər (korpuskullar) yayırlar. .

Dalğa nəzəriyyəsinə görə, işıq saçan cisim bütün kosmik məkanı - dünya efirini dolduran xüsusi mühitdə havada səs dalğaları kimi efirdə yayılan elastik vibrasiyalara səbəb olur.

Nyuton və Hüygensin dövründə əksər elm adamları o dövrdə məlum olan bütün işıq hadisələrini kifayət qədər qənaətbəxş şəkildə izah edən Nyutonun korpuskulyar nəzəriyyəsinə sadiq qaldılar. İşığın əks olunması elastik cisimlərin müstəvi ilə təsir zamanı əks olunmasına bənzər şəkildə izah edilmişdir. İşığın sınması daha sıx mühitdən cisimciklərə böyük cəlbedici qüvvələrin təsiri ilə izah olunurdu. Nyuton nəzəriyyəsinə görə özünü göstərən bu qüvvələrin təsiri altında daha sıx mühitə yaxınlaşdıqda işıq cisimcikləri bu mühitin sərhədinə perpendikulyar istiqamətlənmiş sürətlənmə alır, nəticədə onlar hərəkət istiqamətini və hərəkət istiqamətini dəyişirlər. eyni zamanda sürətini artırdı. Digər işıq hadisələri də oxşar şəkildə izah edildi.

Sonradan ortaya çıxan yeni müşahidələr bu nəzəriyyənin çərçivəsinə sığmadı. Xüsusilə, bu nəzəriyyənin uyğunsuzluğu işığın suda yayılma sürəti ölçüldükdə aşkar edilmişdir. Havada olduğundan çox deyil, az olduğu ortaya çıxdı.

19-cu əsrin əvvəllərində Huygensin müasirləri tərəfindən tanınmayan dalğa nəzəriyyəsi Yanq və Fresnel tərəfindən işlənib təkmilləşdirilmiş və ümumdünya tanınması almışdır. Keçən əsrin 60-cı illərində Maksvell elektromaqnit sahəsinin nəzəriyyəsini inkişaf etdirdikdən sonra işığın elektromaqnit dalğaları olduğu üzə çıxdı. Beləliklə, işığın dalğa mexaniki nəzəriyyəsi dalğa elektromaqnit nəzəriyyəsi ilə əvəz olundu. İşıq dalğaları (görünən spektr) elektromaqnit dalğa miqyasında 0,4-0,7 mikron diapazonunu tutur. Maksvellin şüalanmaya fasiləsiz proses kimi baxan işığın dalğa nəzəriyyəsi yeni kəşf edilmiş bəzi optik hadisələri izah edə bilmədi. İşığın kvant nəzəriyyəsi ilə tamamlandı, buna görə işıq dalğasının enerjisi davamlı deyil, yalnız işıq dalğasının uzunluğundan asılı olan müəyyən hissələrdə - işıq kvantları və ya fotonlarda yayılır, paylanır və udulur. Beləliklə, müasir anlayışlara görə, işıq həm dalğa, həm də korpuskulyar xüsusiyyətlərə malikdir.

İşığın müdaxiləsi

Zamanla dəyişməyən faza fərqi ilə fəzanın hər nöqtəsində rəqslər yaradan dalğalara koherent deyilir. Bu vəziyyətdə faza fərqi sabit, lakin ümumiyyətlə kosmosdakı müxtəlif nöqtələr üçün fərqli bir dəyərə malikdir. Aydındır ki, yalnız eyni tezlikli dalğalar koherent ola bilər.

Kosmosda bir neçə koherent dalğa yayıldıqda, bu dalğaların yaratdığı rəqslər bəzi nöqtələrdə bir-birini gücləndirir, digərlərində isə zəifləyir. Bu fenomen dalğa müdaxiləsi adlanır. İstənilən fiziki təbiət dalğaları müdaxilə edə bilər. İşıq dalğalarının müdaxiləsinə baxacağıq.

Koherent dalğaların mənbələrinə koherent də deyilir. Müəyyən bir səth bir neçə ardıcıl işıq mənbəyi ilə işıqlandırıldıqda, ümumiyyətlə bu səthdə alternativ işıq və qaranlıq zolaqlar görünür.

İki müstəqil işıq mənbəyi, məsələn, iki elektrik lampası koherent deyil. Onların yaydıqları işıq dalğaları ayrı-ayrı atomlar tərəfindən yayılan çoxlu sayda dalğaların əlavə edilməsinin nəticəsidir. Dalğaların atomlar tərəfindən emissiyası təsadüfi olaraq baş verir və buna görə də iki mənbədən yayılan dalğaların fazaları arasında daimi əlaqə yoxdur.

Səth uyğun olmayan mənbələrlə işıqlandırıldıqda, müdaxilə üçün xarakterik olan alternativ işıq və qaranlıq zolaqların nümunəsi görünmür. Hər bir nöqtədə işıqlandırma mənbələrin hər birinin ayrı-ayrılıqda yaratdığı işıqlandırmanın cəminə bərabər olur.

Koherent dalğalar bir mənbədən gələn işıq şüasının iki və ya daha çox ayrı şüaya bölünməsi nəticəsində yaranır.

Dəyişən qalınlıqlı şəffaf lövhəni, xüsusən də paz şəkilli lövhəni monoxromatik (bir rəngli) şüalarla işıqlandırarkən işığın müdaxiləsi müşahidə oluna bilər. Müşahidəçinin gözü plitənin həm ön, həm də arxa səthindən əks olunan dalğaları alacaq. Müdaxilə nəticəsi plitənin qalınlığı ilə tədricən dəyişən iki dalğa arasındakı faza fərqi ilə müəyyən edilir. İşıqlandırma müvafiq olaraq dəyişir: plitənin səthində müəyyən bir nöqtədə müdaxilə edən dalğaların yolundakı fərq cüt sayda yarım dalğaya bərabərdirsə, bu nöqtədə səth işıqlı görünür; əgər faza fərqi yarım dalğaların tək sayıdır, qaranlıq görünəcək.

Təyyarə-paralel boşqab paralel şüa ilə işıqlandırıldıqda, onun ön və arxa səthlərindən əks olunan işıq dalğalarının faza fərqi bütün nöqtələrdə eyni olur - boşqab bərabər işıqlı görünəcək.

Bir az qabarıq şüşənin düz bir şüşə ilə təmas nöqtəsi ətrafında, monoxromatik işıqla işıqlandırıldıqda, qaranlıq və açıq üzüklər müşahidə olunur - sözdə Nyuton üzükləri. Burada hər iki eynək arasındakı ən nazik hava təbəqəsi konsentrik dairələr boyunca sabit qalınlığa malik olan yansıtıcı film rolunu oynayır.

İşığın diffraksiyası.

İşıq dalğası homojen mühitdə yayılarkən cəbhənin həndəsi formasını dəyişmir. Bununla belə, əgər işıq qeyri-bərabər mühitdə yayılırsa, məsələn, qeyri-şəffaf ekranlar, sındırma göstəricisinin nisbətən kəskin dəyişməsi olan fəza sahələri və s., onda dalğa cəbhəsinin təhrifi müşahidə olunur. Bu zaman kosmosda işıq dalğasının intensivliyinin yenidən bölüşdürülməsi baş verir. Məsələn, kölgənin sərhəddində nöqtəli işıq mənbəyi olan qeyri-şəffaf ekranları işıqlandırarkən, burada həndəsi optika qanunlarına görə, kölgədən işığa kəskin keçid olmalıdır, bir sıra qaranlıq və açıq zolaqlar var. müşahidə olunur; işığın bir hissəsi həndəsi kölgə bölgəsinə nüfuz edir. Bu hadisələr işığın difraksiyasına aiddir.

Deməli, dar mənada işığın difraksiyası qeyri-şəffaf cisimlərin konturu ətrafında işığın əyilməsi və işığın həndəsi kölgə bölgəsinə daxil olması hadisəsidir; geniş mənada, həndəsi optika qanunlarından işığın yayılmasında hər hansı bir sapma.

Sommerfeldin tərifi: işığın difraksiyası, davamlı dəyişən sınma indeksi olan mühitlərdə işıq şüalarının əks olunması, sınması və ya əyilməsi nəticəsində izah edilə bilməzsə, düzxətli yayılmadan hər hansı bir sapma kimi başa düşülür.

Əgər mühitdə kiçik hissəciklər (duman) varsa və ya sındırma indeksi dalğa uzunluğuna görə məsafələrdə nəzərəçarpacaq dərəcədə dəyişirsə, bu hallarda işığın səpilməsindən danışırıq və "difraksiya" termini istifadə edilmir.

İşıq difraksiyasının iki növü var. Maneədən sonlu məsafədə yerləşən müşahidə nöqtəsində difraksiya nümunəsini öyrənməklə biz Fresnel difraksiyası ilə məşğul oluruq. Əgər müşahidə nöqtəsi və işıq mənbəyi maneədən o qədər uzaqda yerləşirsə ki, maneəyə düşən şüalar və müşahidə nöqtəsinə gedən şüalar paralel şüalar sayıla bilər, onda paralel şüalardakı difraksiyadan - Fraunhofer difraksiyasından danışırıq.

Difraksiya nəzəriyyəsi dalğa proseslərini dalğanın yayılması yolunda hər hansı maneənin olduğu hallarda nəzərdən keçirir.

Difraksiya nəzəriyyəsindən istifadə edərək, akustik ekranlardan istifadə edərək səs-küyün qorunması, radio dalğalarının Yer səthində yayılması, optik cihazların işləməsi (çünki lensin verdiyi görüntü həmişə difraksiya nümunəsidir), səth keyfiyyətinin ölçülməsi, maddənin quruluşunun öyrənilməsi və bir çox başqaları həll edilir. .

İşığın qütbləşməsi

İşığın dalğa təbiətinin əsaslandırılmasına xidmət edən müdaxilə və difraksiya hadisələri hələ işıq dalğalarının təbiəti haqqında tam təsəvvür yaratmır. Kristallardan, xüsusən də turmalindən işığın keçməsi təcrübəsi bizə yeni xüsusiyyətlər açır.

İki eyni düzbucaqlı turmalin plitəsini götürək, düzbucaqlının tərəflərindən biri optik ox adlanan kristalın içərisində müəyyən bir istiqamətlə üst-üstə düşsün. Bir boşqab digərinin üstünə qoyaq ki, onların oxları istiqamətdə üst-üstə düşsün və bir fənərdən və ya günəşdən gələn dar işıq şüasını bükülmüş cüt boşqabdan keçirək. Turmalin qəhvəyi-yaşıl kristal olduğundan ötürülən şüanın izi ekranda tünd yaşıl ləkə kimi görünəcək. Plitələrdən birini şüanın ətrafında döndərməyə başlayaq, ikincisini hərəkətsiz qoyaq. Şüanın izinin zəiflədiyini və boşqab 90 0 döndürüldükdə tamamilə yox olacağını görəcəyik. Plitənin daha da fırlanması ilə, keçən şüa yenidən güclənməyə başlayacaq və boşqab 180 0 fırlananda əvvəlki intensivliyinə çatacaq, yəni. plitələrin optik oxları yenidən paralel olduqda. Turmalinin daha da fırlanması ilə şüa yenidən zəifləyir.

Aşağıdakı nəticələr çıxarılarsa, bütün müşahidə olunan hadisələri izah etmək olar.

1) Şüadakı işıq vibrasiyaları işığın yayılma xəttinə perpendikulyar yönəldilir (işıq dalğaları eninədir).

2) Turmalin işıq titrəyişlərini yalnız öz oxuna nisbətən müəyyən bir şəkildə yönəldildikdə ötürməyə qadirdir.

3) Bir fənərin (günəşin) işığında hər hansı bir istiqamətin eninə titrəmələri və üstəlik eyni nisbətdə təqdim olunur ki, heç bir istiqamət üstünlük təşkil etməsin.

Nəticə 3 təbii işığın hər hansı bir oriyentasiyada turmalindən eyni dərəcədə keçməsinin səbəbini izah edir, baxmayaraq ki, turmalin 2-ci nəticəyə əsasən işıq vibrasiyalarını yalnız müəyyən istiqamətə ötürə bilir. Təbii işığın turmalindən keçməsi transvers vibrasiyaların yalnız turmalin vasitəsilə ötürülə bilənlərin seçilməsinə səbəb olur. Buna görə də, turmalindən keçən işıq, turmalin oxunun istiqaməti ilə müəyyən edilmiş bir istiqamətdə eninə vibrasiya dəsti olacaqdır. Belə işığı xətti qütbləşmiş, salınma istiqamətini və işıq şüasının oxunu ehtiva edən təyyarəni isə qütbləşmə müstəvisi adlandıracağıq.

İndi ardıcıl yerləşdirilmiş iki turmalin plitəsindən işığın keçməsi ilə bağlı təcrübə aydın olur. Birinci boşqab ondan keçən işıq şüasını qütbləşdirir və onu yalnız bir istiqamətdə salınır. Bu vibrasiyalar ikinci turmalindən tamamilə keçə bilər, yalnız onların istiqaməti ikinci turmalinin ötürülən vibrasiya istiqaməti ilə üst-üstə düşərsə, yəni. onun oxu birincinin oxuna paralel olduqda. Qütbləşmiş işıqda titrəmələrin istiqaməti ikinci turmalin tərəfindən ötürülən vibrasiya istiqamətinə perpendikulyardırsa, işıq tamamilə gecikəcəkdir. Qütbləşmiş işıqda titrəmələrin istiqaməti turmalinin ötürülən istiqaməti ilə kəskin bucaq yaradırsa, onda vibrasiya yalnız qismən ötürüləcəkdir.

İşıq dispersiyası

Nyuton teleskopları təkmilləşdirmək cəhdləri ilə əlaqədar işığın sınması zamanı müşahidə olunan rənglərin öyrənilməsinə müraciət etdi. Mümkün olan ən keyfiyyətli linzaları əldə etmək üçün Nyuton əmin oldu ki, şəkillərin əsas çatışmazlığı rəngli kənarların olmasıdır. Nyuton ən böyük optik kəşflərini refraksiya zamanı rəngləmə ilə bağlı araşdırması ilə etdi.

Nyutonun kəşflərinin mahiyyəti aşağıdakı təcrübələrlə izah olunur (şək. 1) fənərdən gələn işıq dar S dəliyini (yarıq) işıqlandırır. L linzasından istifadə edərək MN ekranında qısa ağ düzbucaqlı S` şəklində yarığın təsviri alınır. Kənarı yarığa paralel olan yolda P prizmasını yerləşdirməklə biz görürük ki, yarığın təsviri dəyişəcək və rəngli zola çevriləcək, qırmızıdan bənövşəyə rəng keçidləri müşahidə olunanlara bənzəyir. göy qurşağında. Nyuton bu göy qurşağı görüntüsünü spektr adlandırdı.

Boşluğu rəngli şüşə ilə örtsəniz, yəni. prizmaya ağ işıq əvəzinə rəngli işığı yönəltsəniz, yarığın təsviri spektrin müvafiq yerində yerləşən rəngli düzbucaqlıya qədər azalacaq, yəni. rəngdən asılı olaraq, işıq orijinal S` təsvirindən müxtəlif bucaqlarda yayınacaq. Təsvir edilən müşahidələr göstərir ki, müxtəlif rəngli şüalar prizma tərəfindən fərqli şəkildə sınır.

Nyuton bu mühüm nəticəni bir çox təcrübələr vasitəsilə təsdiqlədi. Onlardan ən mühümü spektrdən təcrid olunmuş müxtəlif rəngli şüaların sınma əmsalını təyin etmək idi. Bu məqsədlə, spektrin alındığı MN ekranında bir deşik kəsilmişdir; Ekranı hərəkət etdirərək, bu və ya digər rəngli şüaların dar şüasını dəlikdən buraxmaq mümkün idi. Vahid şüaları təcrid etməyin bu üsulu rəngli şüşədən istifadə etməklə izolyasiyadan daha mükəmməldir. Təcrübələr aşkar etdi ki, ikinci prizmada sınmış belə ayrılmış şüa artıq zolağı uzatmır. Belə bir şüa müəyyən bir refraktiv indeksə uyğundur, dəyəri seçilmiş şüanın rəngindən asılıdır.

Təsvir edilən təcrübələr göstərir ki, spektrdən təcrid olunmuş dar rəngli şüa üçün sındırma indeksi çox müəyyən qiymətə malikdir, halbuki ağ işığın sınması təxminən bu göstəricinin yalnız bir qiyməti ilə xarakterizə edilə bilər. Oxşar müşahidələri müqayisə edərək Nyuton belə nəticəyə gəldi ki, prizmadan keçərkən parçalanmayan sadə rənglər və müxtəlif sındırma göstəricilərinə malik olan sadə rənglər toplusunu təmsil edən mürəkkəb rənglər var. Xüsusilə, günəş işığı bir prizmanın köməyi ilə parçalanan, yarığın spektral görüntüsünü verən rənglərin birləşməsidir.

Beləliklə, Nyutonun əsas təcrübələrində iki mühüm kəşf var idi:

1) Müxtəlif rəngli işıq verilmiş maddədə müxtəlif sındırma göstəriciləri ilə xarakterizə olunur (dispersiya).

2) Ağ rəng sadə rənglər toplusudur.

İndi bilirik ki, müxtəlif rənglər işığın müxtəlif dalğa uzunluqlarına uyğun gəlir. Beləliklə, Nyutonun ilk kəşfini aşağıdakı kimi ifadə etmək olar:

Maddənin sınma əmsalı işığın dalğa uzunluğundan asılıdır.

Adətən dalğa uzunluğu azaldıqca artır.

Plankın hipotezi

Qızdırılan bərk cismin şüalanmasının izahında klassik nəzəriyyənin çətinliklərini aradan qaldırmaq üçün 1900-cü ildə alman fiziki Maks Plank. nəzəri fizikada həqiqi təkamülün başlanğıcını qoyan fərziyyəni ifadə etdi. Bu fərziyyənin mənası ondan ibarətdir ki, elektromaqnit şüalanma ilə tarazlıqda olan salınan sistemin enerji ehtiyatı heç bir qiymət ala bilməz. Elektromaqnit dalğalarını udan və yayan elementar sistemlərin enerjisi mütləq müəyyən enerji miqdarının tam ədədinə bərabər olmalıdır.

Sistemin uda biləcəyi və ya buraxa biləcəyi minimum enerji miqdarına enerji kvantı deyilir. E kvantının enerjisi v salınım tezliyinə mütənasib olmalıdır:

E= hv .

Proporsionallıq faktoru h bu ifadədə Plank sabiti adlanır. Plank sabitidir

6,6261937 . 10 -34 J . ilə

Plank sabiti bəzən hərəkət kvantı adlanır. Qeyd edək ki, h ölçüsü bucaq momentumunun ölçüsü ilə üst-üstə düşür.

Plank bu yeni fikrə əsaslanaraq, eksperimental məlumatlarla yaxşı uyğunlaşan spektrdə enerji paylanması qanununu əldə etdi. Nəzəri cəhətdən proqnozlaşdırılan qanunun təcrübə ilə yaxşı uzlaşması Plankın kvant fərziyyəsinin hərtərəfli təsdiqi idi.

Fotoelektrik effektin kəşfi

Plankın kvant fərziyyəsi 1887-ci ildə kəşf edilmiş fotoelektrik effekt hadisəsini izah etmək üçün əsas olmuşdur. Alman fiziki Heinrich Hertz.

Fotoelektrik effekt hadisəsi elektrometrin çubuğuna birləşdirilmiş sink boşqabının işıqlandırılması ilə aşkar edilir. Plitə və çubuğa müsbət yük ötürülürsə, o zaman boşqab işıqlandırıldıqda elektrometr boşalmır. Plakaya mənfi elektrik yükü verməklə, ultrabənövşəyi şüalanma lövhəyə dəyən kimi elektrometr boşalır. Bu təcrübə sübut edir ki, işığın təsiri altında metal lövhənin səthindən mənfi elektrik yükləri ayrıla bilər. İşıqla atılan hissəciklərin yükünü və kütləsini ölçmək bu hissəciklərin elektron olduğunu göstərdi.

Fotoeffektlərin bir neçə növü var: xarici və daxili fotoeffektlər, qapaq fotoeffektləri və bir sıra başqa effektlər.

Xarici fotoelektrik effekt bir maddənin üzərinə düşən işığın təsiri altında elektronların bir maddədən atılması hadisəsidir.

Daxili fotoelektrik effekt yarımkeçiricilərə düşən işığın enerjisi hesabına atomlar arasında rabitələrin qırılması nəticəsində yarımkeçiricidə sərbəst elektronların və dəliklərin yaranmasıdır.

Qapı fotoelektrik effekti iki fərqli yarımkeçirici və ya yarımkeçirici ilə metal arasında təması olan bir sistemdə elektromotor qüvvənin işığının təsiri altında meydana gəlməsidir.

Fotoelektrik effekt qanunları

Fotoelektrik effektin kəmiyyət qanunları 1888-1889-cu illərdə görkəmli rus fiziki Aleksandr Qriqoryeviç Stoletov (1839 - 1896) tərəfindən müəyyən edilmişdir. İki elektrodlu vakuum şüşə balondan (şəkil 2) istifadə edərək, şardakı cərəyanın elektrodlar arasındakı gərginlikdən və elektrodun işıqlandırma şəraitindən asılılığını öyrəndi.

Vakuum silindrində gərginlik tətbiq olunan iki metal elektrod A və K var. Elektrodların polaritesi və onlara tətbiq olunan gərginlik mərkəzə vurulmuş potensiometr R istifadə edərək dəyişdirilə bilər. Potensiometr sürüşmə çubuğu orta nöqtənin solunda olduqda, mənfi A elektroda, plus isə K elektroduna tətbiq olunur. Elektrodlar arasında tətbiq olunan gərginlik voltmetr V ilə ölçülür. Elektrod K kvars şüşəsi ilə örtülmüş pəncərədən işıqla şüalanır. Onun təsiri altında bu elektroddan elektronlar (fotoelektronlar adlanır) çıxarılır, onlar A elektroda uçur və milliampermetr mA ilə qeydə alınan foto cərəyan əmələ gətirir.

Təsvir edilən quraşdırmada, hər bir işıqlandırma üçün müxtəlif metallardan hazırlanmış elektrodlardan istifadə olunur

maddələrlə, xarici fotoelektrik effektin cərəyan-gərginlik xüsusiyyətlərini (yəni, I foto cərəyan gücünün elektrodlar arasındakı U gərginliyindən asılılığı) düşən işıq enerjisi axınının müxtəlif qiymətlərində əldə etmək mümkündür.

İki belə xüsusiyyət təqdim olunur (Şəkil 3).

Xarici fotoelektrik effektin aşağıdakı qanunauyğunluqları və qanunları eksperimental olaraq müəyyən edilmişdir.

1. Elektrodlar arasında gərginlik olmadıqda, foto cərəyan sıfırdan fərqlidir. Bu o deməkdir ki, fotoelektronlar ayrıldıqda kinetik enerjiyə malikdirlər.

2. U artdıqca I foto cərəyan tədricən artır, çünki artan sayda fotoelektron anoda çatır.

3. Elektrodlar arasında müəyyən sürətləndirici gərginlik U n çatdıqda, katoddan çıxarılan bütün elektronlar anoda çatır və foto cərəyanın gücü gərginlikdən asılı olmağı dayandırır. Gərginliyin artması ilə gücü artmayan belə bir foto cərəyan doyma foto cərəyanı adlanır. Vahid vaxtda işıqlandırılmış metaldan buraxılan fotoelektronların sayı n e olarsa, doyma foto cərəyanının gücü.

I n = D q / D t = Ne / D t = n e

Buna görə də doyma cərəyanının gücünü ölçməklə bir saniyədə buraxılan fotoelektronların sayını müəyyən etmək olar.

4. Doyma foto cərəyanının gücü metala düşən işıq enerjisinin axını ilə düz mütənasibdir (fotoelektrik effektin birinci qanunu):

I n = g F

Burada g maddənin fotohəssaslığı adlanan mütənasiblik əmsalıdır. Nəticə etibarilə, bir saniyədə maddədən atılan elektronların sayı bu maddəyə düşən işıq enerjisinin axını ilə düz mütənasibdir.

5. İlkin kinetik enerjiyə görə elektronlar gecikdirici elektrik sahəsinin qüvvələrinə qarşı iş görə bilirlər. Buna görə də, foto cərəyan 0-dan U 3-ə qədər olan mənfi gərginliklər bölgəsində də mövcuddur (elektrod A cərəyan mənbəyinin "mənfi"sinə bağlıdır). Müəyyən bir gecikmə gərginliyindən başlayaraq U 3, foto cərəyan dayanır. Bu vəziyyətdə gecikdirici elektrik sahəsinin işi A e = eU 3 ​​fotoelektronların maksimum başlanğıc kinetik enerjisinə bərabərdir W km. =mv m 2/2:

A e = W k.m. ; e U 3 = mv m 2 /2

V m = 2e U 3 / m

Beləliklə, gecikmə gərginliyini U 3 ölçməklə fotoelektronların maksimum ilkin kinetik enerjisini və maksimum başlanğıc sürətini təyin etmək mümkündür.

6. Gecikdirici gərginliyin qiyməti və buna görə də fotoelektronların maksimum kinetik enerjisi və maksimal sürəti düşən işığın intensivliyindən asılı deyil, onun tezliyindən asılıdır (fotoelektrik effektin ikinci qanunu).

7. Hər bir maddə üçün müəyyən tezlik dəyəri var v k (və buna görə də, dalğa uzunluğu l k), belə ki, tezliklərdə v daha kiçiklərin hadisə işığı v k (yəni, işıq dalğa uzunluğu l k-dən böyük), fotoelektrik effekt müşahidə edilmir (fotoelektrik effektin üçüncü qanunu). Tezlik v k (və dalğa uzunluğu l k) fotoelektrik effektin qırmızı həddi adlanır. Məsələn, sink lövhəsi görünən işıqla, hətta çox yüksək intensivlikdə belə şüalandıqda, fotoelektrik effekt baş vermir, ultrabənövşəyi şüa ilə şüalananda isə, hətta çox aşağı intensivlikdə belə, fotoelektrik effekt müşahidə olunur.

8. Metalın işıqla şüalanmasının başlanğıcından fotoelektronların emissiyasının başlanmasına qədər t vaxt keçir.<10 -9 с. Следовательно, фотоэффект безынерционен. Если частота падающего света v > v k, onda fotoelektronların emissiyası demək olar ki, dərhal baş verir. Əgər v < v Buna görə də metal nə qədər işıqlandırılsa da, fotoelektrik effekt müşahidə olunmur.

Fotonlar

Relyativistik fizikada (nisbilik nəzəriyyəsi) kütlə m və enerjinin W bir-biri ilə əlaqəli olduğu göstərilir:

W = mc 2

Buna görə də enerji kvantı Wф=h v elektromaqnit şüalanması kütləyə uyğundur

m f = W f / c 2 = h v / c 2

Elektromaqnit şüalanma və buna görə də foton yalnız sürətlə yayıldıqda mövcuddur ilə. Bu o deməkdir ki, fotonun qalan kütləsi sıfırdır.

Kütləsi m f olan və sürətlə hərəkət edən foton ilə, təcil var

səh f = m f c = h v / c

Fotonun öz bucaq impulsuna da malikdir fırlatmaq .

L f= h /2 p= h

Enerjisi, kütləsi, impulsu və ya bucaq momenti olan cisim çox güman ki, hissəciklə əlaqələndirilir. Buna görə də, elektromaqnit şüalanmasının enerji kvantı - foton - elektromaqnit şüalanmasının, xüsusən də işığın bir hissəciyi kimidir.

Elektromaqnit şüalanmanın fotonlar toplusu olmasından belə nəticə çıxır ki, zərrəciyin elektromaqnit sahəsi zərrəciyin özü tərəfindən buraxılan və udulmuş fotonlar toplusudur.

Klassik fizika çərçivəsində sərbəst hissəcik tərəfindən qarşılıqlı təsir daşıyıcısının emissiyası enerjinin və impulsun saxlanması qanunları ilə qadağandır. Kvant fizikası enerji və zamanın qeyri-müəyyənlikləri arasındakı əlaqədən istifadə edərək bu qadağanı aradan qaldırır. Üstəlik, bu, qarşılıqlı təsir daşıyıcısının kütləsi ilə hərəkət diapazonu arasında əlaqə yaradır.

Enerjinin saxlanma qanununu pozmuş kimi gedən bu cür proseslərə adətən virtual proseslər, qarşılıqlı təsirə məruz qalan və sərbəst hissəciklərdə olduğu kimi enerji və impulsla əlaqələndirilə bilməyən hissəciklər isə virtual zərrəciklər adlanır. Qarşılıqlı təsirdə iştirak edən virtual mübadilə hissəcikləri aşkar edilə bilməz. Amma emissiya edən hissəciyin enerjisini artırmaqla, məsələn, elektronları sürətləndirmək yolu ilə virtual fotonları qeydə alına bilən real, sərbəst fotonlara çevirmək olar. Bu real fotonların emissiya prosesidir.

Elektromaqnit sahəsinin bu cür təsviri elektromaqnit sahəsi vasitəsilə elektrik yüklü hissəciklərin qarşılıqlı təsiri konsepsiyasının yenidən nəzərdən keçirilməsinə gətirib çıxarır. Əgər hissəcikdən başqa bir yüklü hissəcik varsa, o zaman bir hissəcik tərəfindən buraxılan foton digəri tərəfindən udula bilər və əksinə, fotonların mübadiləsi ilə nəticələnir, yəni. hissəciklər qarşılıqlı təsir göstərməyə başlayacaq. Beləliklə, hissəciklərin elektromaqnit qarşılıqlı təsiri fotonların mübadiləsi yolu ilə baş verir. Bu qarşılıqlı təsir mexanizmi adlanır mübadilə və bütün qarşılıqlı əlaqələrə aiddir. İstənilən sahə, qarşılıqlı təsir göstərən hissəcik tərəfindən buraxılan qarşılıqlı təsirlərin daşıyıcıları olan kvantlar toplusudur və hər hansı bir qarşılıqlı təsir qarşılıqlı təsir daşıyıcılarının mübadiləsidir.

Sonda qeyd edirik ki, foton əsas hissəciklər qrupundan olan hissəciklərdən biridir.

İşığın dalğa anlayışları əsasında fotoelektrik effekt qanunlarını izah etməyin mümkünsüzlüyü.

İşığın dalğa anlayışları əsasında xarici fotoelektrik effektin qanunlarını izah etməyə cəhdlər edilmişdir. Bu fikirlərə görə, fotoelektrik effekt mexanizmi belə görünür. Metalın üzərinə yüngül dalğa düşür. Onun səth qatında yerləşən elektronlar bu dalğanın enerjisini udur və onların enerjisi getdikcə artır. İş funksiyasından böyük olduqda, elektronlar metaldan uçmağa başlayır. Beləliklə, işığın dalğa nəzəriyyəsi, guya, fotoelektrik effekt hadisəsini keyfiyyətcə izah etməyə qadirdir.

Bununla belə, hesablamalar göstərdi ki, bu izahatla metalın işıqlandırılmasının başlaması ilə elektronların emissiyasının başlaması arasındakı vaxt on saniyə təşkil etməlidir. Bu arada, təcrübədən belə çıxır ki, t<10 -9 c. Следовательно, волновая теория света не объясняет безынерционности фотоэффекта. Не может она объяснить и остальные законы фотоэффекта.

Dalğa nəzəriyyəsinə görə, fotoelektronların kinetik enerjisi metala düşən işığın intensivliyi artdıqca artmalıdır. Və dalğanın intensivliyi işığın tezliyi ilə deyil, E gərginlik dalğalanmalarının amplitudası ilə müəyyən edilir. (Yalnız sökülən elektronların sayı və doyma cərəyanının gücü düşən işığın intensivliyindən asılıdır.)

Dalğa nəzəriyyəsindən belə çıxır ki, bir metaldan elektronları qoparmaq üçün lazım olan enerji, onun intensivliyi kifayət qədər yüksək olduqda istənilən dalğa uzunluğunun şüalanması ilə təmin edilə bilər, yəni. fotoelektrik effektin hər hansı bir işıq şüalanmasının səbəb ola biləcəyini. Bununla belə, fotoelektrik effektin qırmızı həddi var, yəni. Elektronların qəbul etdiyi enerji dalğanın amplitudasından deyil, tezliyindən asılıdır.

Beləliklə, işığın dalğa anlayışları əsasında fotoelektrik effekt qanunlarını izah etmək cəhdləri qeyri-mümkün oldu.

İşığın kvant anlayışları əsasında fotoelektrik effekt qanunlarının izahı. Fotoelektrik effekt üçün Eynşteynin tənliyi.

Fotoelektrik effektin qanunlarını izah etmək üçün A. Eynşteyn cisimlərin istilik şüalanmasının təsviri üçün Plank tərəfindən təqdim edilən işığın kvant anlayışlarından istifadə etdi.

Eynşteyn mütləq qara cismin şüalanma enerjisindəki dalğalanmaları təhlil edərək belə nəticəyə gəldi ki, şüalanma özünü elə aparır ki, sanki hər biri hv böyüklüyündə N=W/(hv) müstəqil enerji kvantlarından ibarətdir. Eynşteynə görə, hər hansı bir nöqtədən çıxan işığın yayılması zamanı enerji daim artan fəzada davamlı olaraq paylanmır. Enerji kosmosda lokallaşdırılmış sonlu sayda enerji kvantlarından ibarətdir. Bu kvantlar hissələrə bölünmədən hərəkət edir; onlar yalnız bütövlükdə udula və buraxıla bilər.

Beləliklə, Eynşteyn belə bir nəticəyə gəldi ki, işıq təkcə yayılmır, həm də kosmosda yayılır və kvant şəklində maddə tərəfindən udulur. İşıq radiasiyasının hissələri - işıq kvantları - korpuskulyar xüsusiyyətlərə malikdir, yəni. elektromaqnit sahəsinin xassələrinin daşıyıcısı olan hissəciklərin xassələri. Bu hissəciklərə fotonlar deyilir.

İşığın kvant anlayışları nöqteyi-nəzərindən metala düşən monoxromatik şüalanmanın enerjisi enerjili fotonlardan ibarətdir.

W f = h v

W St. = NW f = Nh v

və işıq enerjisi axını bərabərdir

Ф= W St. / t = Nh v / t = n f h v

burada N - t zamanı metala düşən fotonların sayı; n f – vahid vaxtda metala düşən fotonların sayı.

Radiasiyanın maddə ilə qarşılıqlı təsiri hər birində bir elektron bir fotonun enerjisini tamamilə udur olan çox sayda elementar aktdan ibarətdir. Fotonun enerjisi iş funksiyasından böyük və ya ona bərabərdirsə, elektronlar metaldan uçur. Bu zaman udulmuş fotonun enerjisinin bir hissəsi A iş funksiyasının yerinə yetirilməsinə sərf olunur, qalan hissəsi isə fotoelektronun kinetik enerjisini təşkil edir. Buna görə də

W f =A + ilə W Kimə ; h v =A + ilə mv 2 /2.

Bu ifadə fotoelektrik effekt üçün Eynşteyn tənliyi adlanır.

Bu göstərir ki, fotoelektronların kinetik enerjisi düşən işığın tezliyindən asılıdır (fotoelektrik effektin ikinci qanunu).

Əgər kvantın enerjisi iş funksiyasından azdırsa, heç bir işıq intensivliyində elektronlar buraxılmır. Bu, fotoelektrik effektin qırmızı sərhədinin (fotoelektrik effektin üçüncü qanunu) mövcudluğunu izah edir.

İndi fotoelektrik effektin birinci qanununun işığın kvant anlayışları əsasında necə izah edildiyini göstərək.

Fotoelektrik effekt nəticəsində ayrılan elektronların sayı n e səthə düşən işıq kvantlarının sayına mütənasib olmalıdır;

n e ~ n f ; n e = kn f ,

burada k, hadisə fotonlarının hansı hissəsinin elektronları metaldan çıxardığını göstərən əmsaldır. (Qeyd edək ki, kvantların yalnız kiçik bir hissəsi öz enerjisini fotoelektronlara ötürür. Qalan kvantların enerjisi işığı udan maddənin qızdırılmasına sərf olunur). Fotonların sayı n f düşən işığın enerji axını müəyyən edir.

Beləliklə, işığın kvant nəzəriyyəsi xarici fotoelektrik effektin bütün qanunlarını tam şəkildə izah edir. Beləliklə, işığın dalğa xassələri ilə yanaşı korpuskulyar xassələrə malik olması eksperimental olaraq danılmaz şəkildə təsdiqlənir.

İşığın korpuskulyar-dalğa təbiəti

Adi işıq mənbələrindən işığın interferensiya, difraksiya və qütbləşmə hadisələri işığın dalğa xassələrini təkzibedilməz şəkildə göstərir. Lakin bu hadisələrdə belə, uyğun şəraitdə işıq korpuskulyar xüsusiyyətlər nümayiş etdirir. Öz növbəsində, cisimlərin istilik şüalanması qanunları, fotoelektrik effekt və başqaları mübahisəsiz olaraq göstərir ki, işığın davamlı, uzadılmış dalğa kimi deyil, enerjinin "toplanması" (hissələri, kvantları) axını kimi davranması, yəni. hissəciklər axını kimi - fotonlar. Lakin bu hadisələrdə işığın dalğa xassələri də var, onlar bu hadisələr üçün sadəcə əhəmiyyət kəsb etmir.

Sual yaranır: işıq bir mənbə tərəfindən buraxılan davamlı elektromaqnit dalğasıdır, yoxsa mənbə tərəfindən yayılan diskret fotonların axını? İşığa bir tərəfdən kvant, korpuskulyar xassələri, digər tərəfdən isə dalğa xassələrini aid etmək zərurəti işığın xassələri haqqında biliklərimizin qeyri-kamilliyi təəssüratı yarada bilər. Eksperimental faktları izah edərkən fərqli və zahirən bir-birini istisna edən anlayışlardan istifadə etmək zərurəti süni görünür. Düşünmək istərdim ki, optik hadisələrin bütün müxtəlifliyi işığın xüsusiyyətlərinə dair iki nöqteyi-nəzərdən biri əsasında izah edilə bilər.

Əsrimizin fizikasının ən mühüm nailiyyətlərindən biri işığın dalğa və kvant xassələrini bir-birinə qarşı qoymaq cəhdlərinin yanlışlığına tədricən inamdır. İşıq dalğasının elektromaqnit sahəsinə xas olan davamlılıq xassələri işıq kvantlarına - fotonlara xas olan diskretlik xassələrini istisna etmir. İşıq eyni zamanda davamlı elektromaqnit dalğalarının xüsusiyyətlərinə və diskret fotonların xüsusiyyətlərinə malikdir. Bu əks xassələrin dialektik vəhdətini ifadə edir. Elektromaqnit şüalanma (işıq) kosmosda yayılması və paylanması elektromaqnit dalğalarının tənlikləri ilə təsvir olunan foton axınıdır. Beləliklə, işıq korpuskulyar-dalğa təbiətinə malikdir.

İşığın korpuskulyar-dalğa təbiəti düsturda əks olunur

p f = h v / c = h / l

fotonun korpuskulyar xarakteristikasını - işığın dalğa xarakteristikası ilə impulsu - tezlik (və ya dalğa uzunluğu) ilə əlaqələndirir.

Lakin işığın korpuskulyar-dalğa təbiəti o demək deyil ki, işığın adi klassik təsvirində həm hissəcik, həm də dalğa olması.

İşığın korpuskulyar və dalğa xassələri arasındakı əlaqə kosmosda fotonların paylanması və yayılmasının nəzərə alınması üçün statistik (ehtimal) yanaşmadan istifadə edərək sadə şərh tapır.

1) İşığın difraksiyasını, məsələn, yuvarlaq bir dəliklə nəzərdən keçirək.

Tək bir foton dəlikdən keçərsə, dalğa baxımından gözlənildiyi kimi ekranda bir-birini əvəz edən işıq və tünd zolaqlar olmayacaq; foton ekranın bu və ya digər nöqtəsinə dəyir və dalğa anlayışlarına görə olması lazım olduğu kimi onun arasında yayılmır. Amma eyni zamanda, fotonu zərrəcik hesab etmək və onun hansı nöqtəyə dəydiyini dəqiq hesablamaq mümkün deyil, əgər foton klassik hissəcik olsaydı, bunu etmək olardı.

N foton bir-birinin ardınca bir dəlikdən keçirsə, müxtəlif fotonlar ekranın müxtəlif nöqtələrinə dəyə bilər. Ancaq dalğa anlayışlarına görə işıq zolaqlarının olması lazım olan yerlərdə fotonlar daha tez düşəcək.

Əgər bütün N fotonlar bir anda dəlikdən keçirilirsə, o zaman kosmosun və ekranın hər bir nöqtəsində onları bir-bir keçən zaman sayı qədər foton olur. Lakin bu zaman müvafiq sayda fotonlar ekranın hər nöqtəsinə eyni vaxtda dəyir və N böyükdürsə, dalğa anlayışları baxımından gözlənilən difraksiya nümunəsi ekranda müşahidə olunacaq.

Məsələn, qaranlıq müdaxilə saçaqları üçün salınmanın kvadrat amplitudası və fotonların vurma ehtimalı sıxlığı minimaldır, işıq saçaqları üçün isə kvadrat amplituda və ehtimal sıxlığı maksimumdur.

Beləliklə, əgər işıq çox sayda foton ehtiva edirsə, o zaman difraksiya altında diskret, bulanıq olmayan fotonlardan ibarət olsa da, davamlı dalğa kimi qəbul edilə bilər.

2) Xarici fotoelektrik effekt fenomenində hər bir fotonun yalnız bir elektronla toqquşması (hissəcikli hissəcik kimi) və hansı xüsusi fotonun deyil, bütövlükdə hissələrə bölünmədən udulması vacibdir. hansı sərbəst elektronu vurur (bu, dalğa xassələri ilə müəyyən edilir) və onu sıradan çıxarır. Buna görə də, fotoelektrik effektlə işığı hissəciklər axını kimi qəbul etmək olar.

Elektromaqnit şüalanmasının korpuskulyar-dalğa təbiəti xüsusi olaraq işıq üçün yaradılmışdır, çünki gündəlik həyatda qarşılaşdığımız adi günəş işığı bir tərəfdən çoxlu sayda foton axını təmsil edir və aydın şəkildə dalğa xüsusiyyətlərini nümayiş etdirir, digər tərəfdən. , işığın fotonları korpuskulyar xassələrin həlledici rol oynadığı fotoionlaşma, fotolüminessensiya, fotosintez, fotoelektrik effekt kimi effektləri həyata keçirmək üçün kifayət qədər enerjiyə malikdir. Məsələn, radio dalğalarına uyğun gələn fotonların enerjisi azdır, ayrı-ayrı fotonlar isə nəzərə çarpan təsirlərə malik deyil və qeydə alınan radio dalğaları çoxlu fotonları ehtiva etməli və daha çox dalğa kimi davranmalıdır. g- nüvələrin radioaktiv parçalanması və nüvə reaksiyaları nəticəsində yaranan şüalar yüksək enerjiyə malikdir, onların hərəkəti asanlıqla qeydə alınır, lakin nüvə reaktorlarında xüsusi şəraitdə çoxlu sayda foton axını əldə edilir. Buna görə də, g-şüaları çox vaxt dalğa kimi deyil, hissəciklər şəklində özünü göstərir.

Beləliklə, işıq onun enerjisi, impulsu, kütləsi və spini fotonlarda lokallaşdırıldığı və kosmosda yayılmadığı mənasında korpuskulyardır, lakin fotonun kosmosda dəqiq müəyyən edilmiş yerdə yerləşə bilməsi mənasında deyil. İşıq o mənada dalğa kimi davranır ki, kosmosda fotonların yayılması və paylanması ehtimal xarakteri daşıyır: fotonun müəyyən bir nöqtədə olması ehtimalı həmin nöqtədəki amplitudanın kvadratı ilə müəyyən edilir. Lakin fotonların kosmosda paylanmasının ehtimal (dalğa) təbiəti o demək deyil ki, foton hər an hər hansı bir nöqtədə yerləşir.

Beləliklə, işıq dalğaların davamlılığını və hissəciklərin diskretliyini birləşdirir. Fotonların yalnız hərəkət edərkən (c sürətində) mövcud olduğunu nəzərə alsaq, o zaman işığın eyni vaxtda həm dalğa, həm də korpuskulyar xassələrə malik olduğu qənaətinə gəlirik. Amma bəzi hadisələrdə müəyyən şəraitdə ya dalğa, ya da korpuskulyar xassələr əsas rol oynayır və işığı ya dalğa, ya da hissəciklər (korpuskullar) kimi qəbul etmək olar.

İşıq müdaxiləsinin praktik tətbiqi

Materialların dağıdıcı yoxlanışında holoqrafiyanın tətbiqi.

Belə bir holoqramı oxuyarkən hər iki obyekt dalğası təkrarlanır və müdaxilə edir. Əgər cismin deformasiyası kiçikdirsə (dalğa uzunluğu l ilə müqayisə oluna bilər), onda obyektin təsviri aydın olacaq, lakin eni və forması obyektin deformasiyasını kəmiyyətcə təsvir etməyə imkan verən müdaxilə saçaqları ilə örtüləcək, çünki səthin hər bir nöqtəsində saçaqların görünüşü optik yolun uzunluğunun dəyişməsi ilə mütənasibdir.

Holoqrafik interferometriya, əgər onlar (çatlar, boşluqlar, material xassələrinin qeyri-bərabərliyi və s.) yük altında olan obyektin səthinin anormal deformasiyasına səbəb olarsa, qüsurları aşkar etmək üçün də istifadə olunur. Deformasiyalar qüsurlu nümunəsiz görünən nümunə ilə müqayisədə müdaxilə nümunəsindəki dəyişikliklərlə aşkar edilir.

Holoqrafik müdaxilə dağıdıcı olmayan sınaq müxtəlif yükləmə üsullarından istifadə edir. Məsələn, mexaniki yükləmə altında həm materialın səthində, həm də onun yaxınlığında bir neçə millimetr uzunluğunda mikro çatlar aşkar edilir və lokallaşdırılır. Bu cür tədqiqatlar, xüsusən də betondakı çatları aşkar etmək və onların böyüməsini izləmək üçün aparılır.

İçi boş konstruksiyalarda birləşmələrin keyfiyyətini öyrənmək üçün holoqrafik interferometriyadan istifadə edilir, sonra təzyiqlə yüklənmə və vakuum yüklənməsi tətbiq edilir. Qüsurlu sahələrdə deformasiya və buna görə də müdaxilə nümunələri strukturun digər sahələrinin deformasiyasından fərqlidir.

Termal yükləmə tez-tez istifadə olunur. Bu üsul səthin temperaturu dəyişdikdə baş verən səth deformasiyalarının öyrənilməsinə əsaslanır. Qüsur zonasında temperatur sahəsi təhrif olunur ki, bu da deformasiyanın yerli dəyişməsinə və nəticədə müdaxilə nümunəsinin pozulmasına gətirib çıxarır. Holoqrafik interferometriyanın yüksək həssaslığına görə, qeyd olunan deformasiyalar obyektin temperaturu ətraf mühitin temperaturu ilə müqayisədə cəmi bir neçə dərəcə dəyişdikdə meydana çıxır.

Fotoelektrik effektin tətbiqi

Fotoelektrik effektdən istifadə edərək işləyən ən sadə cihaz vakuum fotoseldir. Vakuum fotosel iki elektrik kabeli ilə təchiz olunmuş şüşə lampadan ibarətdir. Kolbanın daxili səthi qismən nazik metal təbəqə ilə örtülmüşdür. Bu örtük fotoselin katodu kimi xidmət edir. Anod silindrin mərkəzində yerləşir. Katod və anod terminalları sabit bir gərginlik mənbəyinə bağlıdır. Katod işıqlandırıldıqda onun səthindən elektronlar ayrılır. Bu proses xarici fotoelektrik effekt adlanır. Elektronlar elektrik sahəsinin təsiri altında anoda doğru hərəkət edirlər. Fotosel dövrəsində elektrik cərəyanı yaranır, cərəyan gücü işıq şüalarının gücünə mütənasibdir. Beləliklə, fotoelement işıq şüalarının enerjisini elektrik cərəyanının enerjisinə çevirir.

Yarımkeçirici fotoelementlər işıq şüalarının enerjisini elektrik cərəyanının enerjisinə çevirmək üçün də istifadə olunur.

Yarımkeçirici element aşağıdakı quruluşa malikdir. Silisium və ya digər deşik keçirici yarımkeçiricilərin düz kristalında nazik elektron keçirici yarımkeçirici təbəqə yaradılır. Bu təbəqələr arasındakı interfeysdə p-n qovşağı meydana gəlir. Yarımkeçirici kristal işıqlandırıldıqda işığın udulması nəticəsində elektronların və dəliklərin enerji paylanması dəyişir. Bu proses daxili fotoelektrik effekt adlanır. Daxili fotoelektrik effekt nəticəsində yarımkeçiricidə sərbəst elektronların və dəliklərin sayı artır və onlar p-n qovşağının sərhəddində ayrılır.

Yarımkeçirici fotoselin əks təbəqələri keçirici ilə birləşdirildikdə, dövrədə elektrik cərəyanı yaranır; Dövrədəki cərəyan gücü fotoselə düşən işıq axınının gücünə mütənasibdir.

Fotoelementin elektromaqnit relenin sarğısı ilə sıra ilə işə salınması işıq fotoselə dəydikdə ötürücüləri avtomatik yandırmağa və ya söndürməyə imkan verir. Fotosellər kinoda filmə yazılmış səsi soundtrack kimi təkrar etmək üçün istifadə olunur.

Yarımkeçirici fotoelementlər Yerin süni peyklərində, planetlərarası avtomatik stansiyalarda və orbital stansiyalarda elektrik stansiyaları kimi geniş istifadə olunur, onların köməyi ilə günəş şüalarının enerjisi elektrik enerjisinə çevrilir. Müasir yarımkeçirici fotovoltaik generatorların səmərəliliyi 20%-i ötür.

Yarımkeçirici fotosellər gündəlik həyatda getdikcə daha çox istifadə olunur. Onlar saatlarda və mikrokalkulyatorlarda bərpa olunmayan cərəyan mənbələri kimi istifadə olunur.

Giriş 3

Müdaxilə 4

Difraksiya 5

Qütbləşmə 6

Fərq 8

Plankın fərziyyəsi 9

Foto effektinin kəşfi 10

Fotoelektrik effekt qanunları 11

Fotonlar 14

İşığın dalğa anlayışları əsasında fotoelektrik effekti izah etməyin mümkünsüzlüyü 15

İşığın kvant anlayışları əsasında fotoelektrik effekt qanunlarının izahı. Fotoelektrik effekt üçün Eynşteyn tənliyi 16

Korpuskulyar – işığın dalğa təbiəti 18

İşıq müdaxiləsinin praktiki tətbiqi 21

Fotoelektrik effektin tətbiqi 23

İstinadlar 25

Moskva Dövlət Su Nəqliyyatı Akademiyası

Fizika və kimya kafedrası

Müasir təbiətşünaslıq konsepsiyası haqqında referat (fizikada)

mövzusunda:

“Dalğa-hissəcik ikiliyi, onun nəzəriyyədə əhəmiyyəti və eksperimental təsdiqi”

Tamamlandı:

2-ci kurs tələbəsi

MVT-4 qrupları

Müəllim:

Kobranov.M.E

Moskva 2001

Biblioqrafiya:

Qribov L.A. Prokofyeva N.I., “Fizikanın əsasları”, red. Elm 1995

Jibrov A.E., Mixaylov V.K., Galtsev V.V., “Kvant mexanikasının və atom fizikasının elementləri”, MISI im. V.V Kuybışeva, 1984

Şpolski İ.V., “Atom fizikası”, red. Elm, 1974

Gursky İ.P., “Elementar fizika”, Savelyev İ.V., 1984-cü il.

"İbtidai sinif fizika dərsliyi", Ed. Landsberg G.S., 1986

Kabardin O.F., “Fizika”, red. Təhsil.

Savelyev İ.V., “Ümumi fizika kursu”, red. Elm, 1988