Particle-wave dualism experiment. Duality ng wave-particle

Duality ng wave-particle– ang pag-aari ng anumang microparticle upang makita ang mga palatandaan ng isang particle (corpuscle) at isang alon. Ang duality ng wave-particle ay pinaka-malinaw na ipinakita sa elementarya na mga particle. Ang isang electron, isang neutron, isang photon, sa ilalim ng ilang mga kundisyon, ay kumikilos tulad ng well-localized na materyal na mga bagay (mga partikulo) sa kalawakan, na gumagalaw na may ilang mga enerhiya at impulses kasama ang mga klasikal na tilapon, at sa iba pa, tulad ng mga alon, na ipinapakita sa kanilang kakayahang interfere at diffraction. Kaya, ang isang electromagnetic wave, na nakakalat sa mga libreng electron, ay kumikilos tulad ng isang stream ng mga indibidwal na particle - mga photon, na quanta ng electromagnetic field (Compton effect), at ang momentum ng photon ay ibinibigay ng formula p = h/λ, kung saan ang λ ay ang haba ng electromagnetic wave, at ang h ay ang pare-pareho ng Planck. Ang pormula na ito mismo ay katibayan ng dualismo. Sa loob nito, sa kaliwa ay ang momentum ng isang indibidwal na particle (photon), at sa kanan ay ang wavelength ng photon. Ang duality ng mga electron, na nakasanayan nating isaalang-alang bilang mga particle, ay ipinahayag sa katotohanan na kapag makikita mula sa ibabaw ng isang kristal, isang pattern ng diffraction ay sinusunod, na isang pagpapakita ng mga katangian ng alon ng mga electron. Ang quantitative na relasyon sa pagitan ng corpuscular at wave na katangian ng isang electron ay kapareho ng para sa isang photon: р = h/λ (р ay ang momentum ng electron, at λ ang de Broglie wavelength nito). Ang duality ng wave-particle ay ang batayan ng quantum physics.

Ang alon (fur) ay isang proseso na palaging nauugnay sa isang materyal na kapaligiran na sumasakop sa isang tiyak na dami sa espasyo.

64. Kumaway si De Broglie. Electron diffraction Mga katangian ng alon ng microparticle.

Ang pagbuo ng mga ideya tungkol sa mga katangian ng corpuscular-wave ng matter na natanggap sa hypothesis tungkol sa wave nature ng paggalaw ng microparticles. Louis de Broglie, mula sa ideya ng simetrya sa kalikasan para sa mga particle ng bagay at liwanag, na maiugnay sa anumang microparticle ng isang tiyak na panloob na pana-panahong proseso (1924). Pinagsasama-sama ang mga formula na E = hν at E = mc 2, nakakuha siya ng kaugnayan na nagpapakita na ang anumang particle ay may sarili nitong haba ng daluyong : λ B = h/mv = h/p, kung saan ang p ay ang momentum ng wave-particle. Halimbawa, para sa isang electron na may enerhiya na 10 eV, ang wavelength ng de Broglie ay 0.388 nm. Kasunod nito, ipinakita na ang estado ng isang microparticle sa quantum mechanics ay maaaring ilarawan ng isang tiyak na kumplikado. function ng alon mga coordinate Ψ(q), at ang squared modulus ng function na ito |Ψ| 2 ay tumutukoy sa posibilidad na pamamahagi ng mga halaga ng coordinate. Ang function na ito ay unang ipinakilala sa quantum mechanics ni Schrödinger noong 1926. Kaya, ang de Broglie wave ay hindi nagdadala ng enerhiya, ngunit sumasalamin lamang sa "phase distribution" ng ilang probabilistikong periodic na proseso sa kalawakan. Dahil dito, ang paglalarawan ng estado ng mga bagay sa microworld ay probabilistikong kalikasan, sa kaibahan sa mga bagay ng macroworld, na inilalarawan ng mga batas ng klasikal na mekanika.

Upang patunayan ang ideya ni de Broglie tungkol sa likas na alon ng microparticle, iminungkahi ng German physicist na si Elsasser ang paggamit ng mga kristal upang obserbahan ang electron diffraction (1925). Sa USA, natuklasan nina K. Davisson at L. Germer ang phenomenon ng diffraction kapag ang isang electron beam ay dumaan sa isang plato ng nickel crystal (1927). Malaya sa kanila, ang diffraction ng mga electron na dumadaan sa metal foil ay natuklasan ni J.P. Thomson sa England at P.S. Tartakovsky sa USSR. Kaya, ang ideya ni de Broglie tungkol sa mga katangian ng alon ng bagay ay nakahanap ng pang-eksperimentong kumpirmasyon. Kasunod nito, ang diffraction, at samakatuwid ay alon, ang mga katangian ay natuklasan sa mga atomic at molecular beam. Hindi lamang mga photon at electron, kundi pati na rin ang lahat ng microparticle ay may mga katangian ng particle-wave.

Ang pagtuklas ng mga katangian ng alon ng mga microparticle ay nagpakita na ang mga anyo ng bagay bilang field (patuloy) at matter (discrete), na mula sa punto ng view ng klasikal na pisika ay itinuturing na qualitatively naiiba, sa ilalim ng ilang mga kundisyon ay maaaring magpakita ng mga katangian na likas sa parehong anyo. Ito ay nagsasalita ng pagkakaisa ng mga anyo ng bagay na ito. Ang isang kumpletong paglalarawan ng kanilang mga ari-arian ay posible lamang sa batayan ng magkasalungat, ngunit komplementaryong, mga ideya.

Sa nakalipas na daang taon, ang agham ay gumawa ng mahusay na mga hakbang sa pag-aaral ng istruktura ng ating mundo sa parehong mikroskopiko at macroscopic na mga antas. Ang mga kahanga-hangang pagtuklas na hatid sa atin ng mga espesyal at pangkalahatang teorya ng relativity at quantum mechanics ay nakakaganyak pa rin sa isipan ng publiko. Gayunpaman, ang sinumang may pinag-aralan na tao ay kailangang maunawaan ang hindi bababa sa mga pangunahing kaalaman ng modernong siyentipikong mga tagumpay. Isa sa mga pinaka-kahanga-hanga at mahalagang mga punto ay wave-particle duality. Ito ay isang kabalintunaan na pagtuklas, ang pag-unawa kung saan ay hindi maaabot ng intuitive na pang-araw-araw na pang-unawa.

Mga corpuscle at alon

Ang dualismo ay unang natuklasan sa pag-aaral ng liwanag, na kumikilos nang ganap na naiiba depende sa mga kondisyon. Sa isang banda, lumabas na ang ilaw ay isang optical electromagnetic wave. Sa kabilang banda, mayroong isang discrete particle (ang kemikal na pagkilos ng liwanag). Sa una, ang mga siyentipiko ay naniniwala na ang dalawang ideyang ito ay kapwa eksklusibo. Gayunpaman, maraming mga eksperimento ang nagpakita na hindi ito ang kaso. Unti-unti, naging karaniwan ang realidad ng naturang konsepto bilang wave-particle duality. Ang konseptong ito ay nagbibigay ng batayan para sa pag-aaral ng pag-uugali ng mga kumplikadong bagay na quantum na hindi mga alon o mga particle, ngunit nakukuha lamang ang mga katangian ng huli o ang dating depende sa ilang mga kundisyon.

Double slit experiment

Ang photon diffraction ay isang malinaw na pagpapakita ng dualism. Ang detektor ng mga sisingilin na particle ay isang photographic plate o isang fluorescent screen. Ang bawat indibidwal na photon ay minarkahan ng pag-iilaw o isang spot flash. Ang kumbinasyon ng mga naturang marka ay nagbigay ng isang pattern ng panghihimasok - paghahalili ng mahina at malakas na iluminado na mga guhitan, na isang katangian ng diffraction ng alon. Ito ay ipinaliwanag sa pamamagitan ng isang konsepto bilang wave-particle duality. Ang sikat na physicist at Nobel laureate na si Richard Feynman ay nagsabi na ang matter ay kumikilos sa maliliit na antas sa paraang imposibleng madama ang "naturalness" ng quantum behavior.

Universal dualism

Gayunpaman, ang karanasang ito ay may bisa hindi lamang para sa mga photon. Ito ay lumabas na ang dualism ay isang pag-aari ng lahat ng bagay, at ito ay pangkalahatan. Nagtalo si Heisenberg na ang bagay ay umiiral sa parehong anyo nang halili. Ngayon ay ganap na napatunayan na ang parehong mga pag-aari ay ganap na lumilitaw nang sabay-sabay.

Corpuscular wave

Paano natin maipapaliwanag ang pag-uugaling ito ng bagay? Ang alon na likas sa mga corpuscles (particle) ay tinatawag na de Broglie wave, na pinangalanan sa batang aristokratikong siyentipiko na nagmungkahi ng solusyon sa problemang ito. Karaniwang tinatanggap na ang mga equation ni de Broglie ay naglalarawan ng isang function ng wave, na kung saan, squared, ay tumutukoy lamang sa posibilidad na ang isang particle ay nasa iba't ibang mga punto sa espasyo sa iba't ibang oras. Sa madaling salita, ang de Broglie wave ay isang probabilidad. Kaya, ang pagkakapantay-pantay ay itinatag sa pagitan ng matematikal na konsepto (probability) at ang tunay na proseso.

Quantum field

Ano ang corpuscles of matter? Sa pangkalahatan, ang mga ito ay quanta ng mga wave field. Ang photon ay isang quantum ng isang electromagnetic field, isang positron at isang electron ay isang electron-positron field, isang meson ay isang quantum ng isang meson field, at iba pa. Ang pakikipag-ugnayan sa pagitan ng mga patlang ng alon ay ipinaliwanag sa pamamagitan ng pagpapalitan ng ilang mga intermediate na particle sa pagitan nila, halimbawa, sa panahon ng pakikipag-ugnayan ng electromagnetic mayroong isang pagpapalitan ng mga photon. Mula dito ay direktang sumusunod sa isa pang kumpirmasyon na ang mga proseso ng alon na inilarawan ni de Broglie ay ganap na tunay na pisikal na phenomena. At ang particle-wave dualism ay hindi kumikilos bilang isang "misteryosong nakatagong pag-aari" na nagpapakilala sa kakayahan ng mga particle na "muling magkatawang-tao." Ito ay malinaw na nagpapakita ng dalawang magkakaugnay na aksyon - ang paggalaw ng isang bagay at ang proseso ng alon na nauugnay dito.

Epekto ng lagusan

Ang wave-particle duality ng liwanag ay nauugnay sa maraming iba pang kawili-wiling phenomena. Ang direksyon ng pagkilos ng de Broglie wave ay lumilitaw sa panahon ng tinatawag na tunnel effect, iyon ay, kapag ang mga photon ay tumagos sa pamamagitan ng energy barrier. Ang hindi pangkaraniwang bagay na ito ay sanhi ng momentum ng particle na lumalampas sa average na halaga sa sandali ng wave antinode. Ang tunneling ay naging posible upang bumuo ng maraming mga elektronikong aparato.

Panghihimasok ng light quanta

Ang modernong agham ay nagsasalita tungkol sa pagkagambala ng mga photon sa parehong misteryosong paraan tulad ng tungkol sa pagkagambala ng mga electron. Lumalabas na ang isang photon, na isang hindi mahahati na particle, ay maaaring sabay na dumaan sa anumang landas na bukas sa sarili nito at makagambala sa sarili nito. Kung isasaalang-alang natin na ang wave-particle duality ng mga katangian ng matter at ang photon ay isang alon na sumasaklaw sa maraming elemento ng istruktura, kung gayon ang divisibility nito ay hindi ibinukod. Ito ay sumasalungat sa mga naunang pananaw sa particle bilang isang elementarya na hindi mahahati na pormasyon. Ang pagkakaroon ng isang tiyak na masa ng paggalaw, ang photon ay bumubuo ng isang longitudinal wave na nauugnay sa paggalaw na ito, na nauuna sa particle mismo, dahil ang bilis ng longitudinal wave ay mas malaki kaysa sa transverse electromagnetic wave. Samakatuwid, mayroong dalawang paliwanag para sa interference ng isang photon sa sarili nito: ang particle ay nahahati sa dalawang bahagi, na nakakasagabal sa isa't isa; Ang alon ng photon ay naglalakbay sa dalawang landas at bumubuo ng isang pattern ng interference. Natuklasan sa eksperimento na ang isang pattern ng interference ay nagagawa din kapag ang mga single charged na particle-photon ay dumaan sa interferometer. Kinukumpirma nito ang thesis na ang bawat indibidwal na photon ay nakakasagabal sa sarili nito. Ito ay lalo na malinaw na nakikita kapag isinasaalang-alang ang katotohanan na ang liwanag (ni coherent o monochromatic) ay isang koleksyon ng mga photon na ibinubuga ng mga atom sa magkakaugnay at random na mga proseso.

Ano ang liwanag?

Ang light wave ay isang electromagnetic non-localized field na ipinamamahagi sa buong kalawakan. Ang electromagnetic field ng wave ay may volumetric energy density na proporsyonal sa square ng amplitude. Nangangahulugan ito na ang density ng enerhiya ay maaaring magbago sa anumang halaga, iyon ay, ito ay tuloy-tuloy. Sa isang banda, ang liwanag ay isang stream ng quanta at photon (corpuscles), na, salamat sa universality ng naturang phenomenon bilang particle-wave duality, ay kumakatawan sa mga katangian ng isang electromagnetic wave. Halimbawa, sa mga phenomena ng interference at diffraction at mga kaliskis, ang liwanag ay malinaw na nagpapakita ng mga katangian ng isang alon. Halimbawa, ang isang photon, tulad ng inilarawan sa itaas, na dumaan sa isang double slit ay lumilikha ng pattern ng interference. Sa tulong ng mga eksperimento, napatunayan na ang isang photon ay hindi isang electromagnetic pulse. Hindi ito maaaring hatiin sa mga beam na may mga beam splitter, tulad ng ipinakita ng mga pisikong Pranses na sina Aspe, Roger at Grangier.

Ang liwanag ay mayroon ding corpuscular properties, na nagpapakita ng kanilang sarili sa Compton effect at sa photoelectric effect. Ang isang photon ay maaaring kumilos tulad ng isang particle na ganap na hinihigop ng mga bagay na ang mga sukat ay mas maliit kaysa sa wavelength nito (halimbawa, isang atomic nucleus). Sa ilang mga kaso, ang mga photon ay karaniwang maituturing na mga puntong bagay. Wala itong pagkakaiba sa kung anong posisyon ang isinasaalang-alang natin ang mga katangian ng liwanag. Sa larangan ng color vision, ang stream ng liwanag ay maaaring kumilos bilang parehong wave at particle-photon bilang energy quantum. Ang isang lugar na nakatutok sa isang retinal photoreceptor, tulad ng cone membrane, ay maaaring magbigay-daan sa mata na bumuo ng sarili nitong na-filter na halaga bilang pangunahing spectral ray ng liwanag at pag-uri-uriin ang mga ito sa mga wavelength. Ayon sa mga halaga ng enerhiya ng quantum, sa utak ang punto ng bagay ay isasalin sa isang sensasyon ng kulay (nakatuon na optical na imahe).

Ang mga karaniwang halimbawa ng mga bagay na nagpapakita ng dual wave-particle na pag-uugali ay mga electron at liwanag; Ang prinsipyo ay wasto din para sa mas malalaking bagay, ngunit, bilang isang panuntunan, mas malaki ang bagay, mas mababa ang mga katangian ng alon nito ay ipinahayag (hindi natin pinag-uusapan dito ang tungkol sa kolektibong pag-uugali ng alon ng maraming mga particle, halimbawa, mga alon sa ibabaw. ng isang likido).

Ang ideya ng wave-particle duality ay ginamit sa pagbuo ng quantum mechanics upang bigyang-kahulugan ang mga phenomena na naobserbahan sa microworld sa mga tuntunin ng mga klasikal na konsepto. Sa katotohanan, ang mga bagay na quantum ay hindi mga klasikal na alon o mga klasikal na particle, na nagpapakita ng mga katangian ng una o huli lamang depende sa mga kondisyon ng mga eksperimento na isinasagawa sa kanila. Ang duality ng wave-particle ay hindi maipaliwanag sa loob ng balangkas ng klasikal na pisika at maaari lamang bigyang kahulugan sa mekanika ng quantum.

Ang karagdagang pag-unlad ng konsepto ng wave-particle duality ay ang konsepto ng quantized fields sa quantum field theory.

Kumaway si De Broglie

Ang prinsipyo ng wave-particle duality ay tumatanggap ng quantitative expression sa ideya ng de Broglie waves. Para sa anumang bagay na sabay na nagpapakita ng mga katangian ng wave at corpuscular, mayroong koneksyon sa pagitan ng momentum p (\displaystyle \mathbf (p) ) at enerhiya E (\displaystyle E), likas sa bagay na ito bilang isang particle, at ang mga parameter ng wave nito - ang wave vector k (\displaystyle \mathbf (k) ), wavelength λ (\displaystyle \lambda), dalas ν (\displaystyle \nu ), cyclic frequency ω (\displaystyle \omega ). Ang koneksyon na ito ay ibinibigay ng mga relasyon:

saan ℏ (\displaystyle \hbar ) At h = 2 π ℏ (\displaystyle h=2\pi \hbar )- nabawasan at ordinaryong Planck na pare-pareho, ayon sa pagkakabanggit. Ang mga formula na ito ay totoo para sa relativistic na enerhiya at momentum.

Ang de Broglie wave ay inilalagay sa mga sulat sa anumang gumagalaw na bagay ng microworld; Kaya, sa anyo ng mga alon ng de Broglie, ang parehong liwanag at napakalaking mga particle ay napapailalim sa interference at diffraction. Kasabay nito, mas malaki ang masa ng particle, mas maikli ang wavelength ng de Broglie nito sa parehong bilis, at mas mahirap irehistro ang mga katangian ng wave nito. Sa halos pagsasalita, kapag nakikipag-ugnayan sa kapaligiran nito, ang isang bagay ay kumikilos tulad ng isang butil kung ang haba ng de Broglie wave nito ay mas maliit kaysa sa mga katangiang dimensyon na naroroon sa kapaligiran nito, at parang alon kung ito ay mas mahaba; ang intermediate case ay maaari lamang ilarawan sa loob ng balangkas ng isang ganap na quantum theory.

Ang pisikal na kahulugan ng de Broglie wave ay ang mga sumusunod: ang parisukat ng amplitude ng wave sa isang tiyak na punto sa espasyo ay katumbas ng probability density ng pag-detect ng particle sa isang partikular na punto kung ang posisyon nito ay sinusukat. Kasabay nito, hanggang sa maisagawa ang pagsukat, ang butil ay hindi aktwal na matatagpuan sa alinmang isang tiyak na lugar, ngunit "pinahiran" sa buong espasyo sa anyo ng isang alon ng de Broglie.

Kasaysayan ng pag-unlad

Ang mga tanong tungkol sa likas na katangian ng liwanag at bagay ay may mahabang kasaysayan, ngunit hanggang sa isang tiyak na oras ay pinaniniwalaan na ang mga sagot sa mga ito ay dapat na hindi malabo: ang liwanag ay alinman sa isang stream ng mga particle o isang alon; Ang matter ay maaaring binubuo ng mga indibidwal na particle na sumusunod sa classical mechanics, o isang tuluy-tuloy na medium.

Ang tila itinatag na paglalarawan ng alon ng liwanag ay naging hindi kumpleto nang, noong 1901, nakuha ni Planck ang isang formula para sa spectrum ng radiation ng isang ganap na itim na katawan, at pagkatapos ay ipinaliwanag ni Einstein ang photoelectric effect, batay sa palagay na ang liwanag na may isang tiyak na haba ng daluyong ay ibinubuga at hinihigop ng eksklusibo sa ilang bahagi. Ang nasabing bahagi - isang dami ng liwanag, na kalaunan ay tinawag na photon - naglilipat ng enerhiya na proporsyonal sa dalas ng light wave na may koepisyent. h (\displaystyle h)- pare-pareho ni Planck. Kaya, lumabas na ang liwanag ay nagpapakita hindi lamang alon, kundi pati na rin ang mga katangian ng corpuscular.

Ang prinsipyo ng wave-particle duality ay nakatanggap ng mas tiyak at tamang embodiment sa "wave mechanics" ni Schrödinger, na pagkatapos ay naging modernong quantum mechanics.

Wave-particle duality ng liwanag

Bilang isang klasikong halimbawa ng aplikasyon ng prinsipyo ng wave-particle duality, ang liwanag ay maaaring bigyang-kahulugan bilang isang stream ng corpuscles (photon), na sa maraming mga pisikal na epekto ay nagpapakita ng mga katangian ng mga klasikal na electromagnetic wave. Ang liwanag ay nagpapakita ng mga katangian ng alon sa mga phenomena ng diffraction at interference sa mga kaliskis na maihahambing sa wavelength ng liwanag. Halimbawa, kahit walang asawa Ang mga photon na dumadaan sa double slit ay gumagawa ng pattern ng interference sa screen, na tinutukoy ng mga equation ni Maxwell.

Gayunpaman, ipinapakita ng eksperimento na ang photon ay hindi isang maikling pulso ng electromagnetic radiation; halimbawa, hindi ito mahahati sa ilang beam ng optical beam splitter, gaya ng malinaw na ipinakita ng isang eksperimento na isinagawa ng mga French physicist na sina Grangier, Roger at Aspe noong 1986 . Ang mga katangian ng corpuscular ng liwanag ay ipinapakita sa mga pattern ng equilibrium thermal radiation, sa photoelectric effect at sa Compton effect. Ang photon ay kumikilos din tulad ng isang particle na ibinubuga o ganap na hinihigop ng mga bagay na ang mga sukat ay mas maliit kaysa sa wavelength nito (halimbawa, atomic nuclei), o sa pangkalahatan ay maaaring ituring na pointlike (halimbawa, isang electron).

Ang mas maikli ang wavelength ng electromagnetic radiation, mas malaki ang enerhiya at momentum ng mga photon at mas mahirap na tuklasin ang mga katangian ng wave ng radiation na ito. Halimbawa, ang X-ray radiation ay nagkakaiba lamang sa isang napaka "manipis" na diffraction grating - ang kristal na sala-sala ng isang solid.

Pag-uugali ng alon ng malalaking bagay

Ang pag-uugali ng alon ay ipinakita hindi lamang ng mga elementarya na particle at nucleon, kundi pati na rin ng mas malalaking bagay - mga molekula. Noong 1999, ang diffraction ng fullerenes ay naobserbahan sa unang pagkakataon. Noong 2013, nakamit ang diffraction ng mga molekula na tumitimbang ng higit sa 10,000 amu. , na binubuo ng higit sa 800 mga atom bawat isa.

Gayunpaman, hindi lubos na tiyak kung ang mga bagay na may mass na mas malaki kaysa sa masa ng Planck ay maaaring magpakita ng pag-uugali ng alon.

Tingnan din

Mga Tala

1. Ang salitang "corpuscle" ay nangangahulugang "particle" at halos hindi ginagamit sa labas ng konteksto ng wave-particle duality.
2. Gershtein S.S. Duality ng wave-particle// Pisikal na encyclopedia: [sa 5 volume] / Ch. ed. A. M. Prokhorov. - M.: Soviet Encyclopedia, 1990. - T. 2: Quality factor - Magneto-optics. - pp. 464-465. - 704 p. - 100,000 kopya. -

Ang terminong "dualism" sa pisika sa isang malawak na kahulugan ay nangangahulugang:

1) ang pagkakaroon ng magkasalungat na katangian sa mga pisikal na bagay;

2) ang paggamit ng magkasalungat na konsepto kapag naglalarawan at nagpapaliwanag ng mga pisikal na phenomena;

3) ang pagkakaroon ng magkasalungat (mutual exclusive) na mga pahayag sa pagbubuo ng mga batas na namamahala sa pisikal na phenomena.

Ang pinakapangunahing pagpapakita ng dualismo ay:

1) particle-wave dualism sa mga katangian ng elementary particles;

2) ang presensya sa likas na katangian ng mga particle at antiparticle, kabaligtaran ng mga singil sa kuryente, iba't ibang palatandaan ng mga numero ng lepton at baryon (tingnan ang Bahagi IV, § 23), atbp.;

3) magkasalungat na katangian ng mga particle ng matter at force field, ibig sabihin, "corpuscular" at "field" matter;

4) paggamit ng mga konseptong "enerhiya" at "trabaho";

5) ang pagkakaroon sa mga pisikal na sistema ng mga kasuklam-suklam at kaakit-akit na pwersa, ang sabay-sabay na pagkilos na tumutukoy sa mga katangian ng mga pisikal na sistema;

6) koneksyon sa pagitan ng quantitative at qualitative na mga pagbabago sa mga katangian ng mga pisikal na sistema;

7) hindi malabo at posibilidad sa mga batas ng pisika;

8) discreteness at continuity sa kalikasan, ang koneksyon sa pagitan nila, atbp.

Ang kakanyahan ng dualism (i.e., ang nilalaman ng mga terminong "kabaligtaran ng mga katangian", "mga konsepto", "mga pahayag") ay maaaring ipakita sa pamamagitan ng halimbawa ng isang kumbinasyon ng mga corpuscular at wave na katangian ng mga elementarya na particle (photon, electron, atbp.) . Ang teksto (tingnan ang Bahagi IV, § 10-12) ay nagpakita na:

1) corpuscular at wave properties ng mga particle ay hindi mapaghihiwalay sa isa't isa. Ang bawat butil ay may parehong katangiang ito sa pagkakaisa at

mutual conditionality, at walang paraan upang alisin ang isang particle ng isa sa mga katangiang ito. Tila, walang mga particle na mayroon lamang corpuscular o wave properties lamang;

2) corpuscular at wave properties ay hindi mababawasan sa bawat isa. Nangangahulugan ito na ang mga katangian ng alon ng isang particle ay hindi maipaliwanag sa pamamagitan ng mga corpuscular, at vice versa;

3) ang mga katangian ng corpuscular at wave ay hindi mapaghihiwalay.

Ang duality ng wave-particle ay sumasailalim sa quantum physics, na naglalarawan ng mga microphysical system at proseso. Kaya, ang isa sa pinakamahalagang sangay ng modernong pisika ay dualistic sa kalikasan at nilalaman. Ang tuluy-tuloy na pag-andar ng alon ng mga particle at pisikal na sistema, sa isang banda, at ang mga corpuscular na katangian ng parehong mga partikulo at sistema, sa kabilang banda, ay umiiral sa quantum physics sa pagkakaisa at mutual na koneksyon. Ang lahat ng mga pagtatangka na alisin ang dualismong ito ay hindi nagtagumpay. Samakatuwid, maaari itong maitalo na ang dualism sa quantum theory ay hindi isang pansamantalang, random, side phenomenon na dulot, halimbawa, ng mga kahirapan sa paglalarawan ng mga microphysical system, ngunit isang salamin ng layunin na dualism na namamayani sa kalikasan.

Isaalang-alang natin ang isa pang pagpapakita ng dualism sa kalikasan - ang pagkakaroon ng mga particle at antiparticle. Tandaan muna natin na ang mga pisikal na katangian ng mga particle ay maaaring nahahati sa dalawang grupo:

1) mga katangian na naiiba sa iba't ibang mga particle sa laki lamang; Ang pinakamahalaga sa kanila ay inert mass. Tandaan na ang masa ay hindi isang additive na ari-arian (ang masa ng isang pisikal na sistema ay mas mababa kaysa sa kabuuan ng mga masa ng mga constituent particle na sinusukat sa isang libreng estado), ito ay depende sa estado ng particle (bilis ng paggalaw) at sa mga kondisyon kung saan matatagpuan ang butil (ang masa ng mga nucleon sa larangan ng mga puwersang nuklear ay naiiba sa kanilang masa sa labas ng nucleus);

2) mga ari-arian na naiiba sa husay, halimbawa, kabaligtaran ng mga singil sa kuryente. Tandaan na ang mga singil ay additivity at hindi nakadepende sa bilis ng paggalaw at sa mga kondisyon kung saan matatagpuan ang mga naka-charge na particle. Nangangahulugan ito na ang mga singil (pati na rin ang mga numero ng leptonic at baryon) ay mas pangunahing mga katangian ng mga particle kaysa sa inertial mass.

Maaaring pagbukud-bukurin ang mga elementarya ayon sa isang hanay ng mga pangunahing katangian na likas sa kanila. Depende sa likas na katangian at bilang ng mga katangiang ito, ang nilalaman ng mga konsepto tulad ng "magkapareho" o "magkaiba" na mga particle ay tinutukoy. Malinaw na ang pagkakakilanlan ng mga particle (o pisikal na mga bagay sa pangkalahatan) ay ang limitasyon ng kaso ng pagkakapareho, kapag walang pagkakaiba sa pagitan ng mga bagay: alinman sa hanay ng mga katangian na likas sa kanila, o sa kanilang istraktura, estado at pag-uugali sa ilalim iba't ibang mga kondisyon (ang mga katulad na bagay ay mga elementarya na particle ng isang tiyak na uri , na nasa parehong mga kundisyon). Ang pagsalungat ng mga pisikal na bagay ay dapat isaalang-alang bilang isang matinding kaso ng pagkakaiba, kapag ang pagkakaiba na ito ay kumpleto, iyon ay, ang mga bagay ay walang magkaparehong katangian.

Tandaan na ang mga particle at antiparticle sa ganitong kahulugan ay hindi magkasalungat, dahil bilang karagdagan sa pagiging magkakaiba, mayroon din silang parehong mga katangian (halimbawa, ang isang electron at isang positron ay may magkaibang mga singil, ngunit ang parehong spin at rest mass). Kaya, ang mga particle at antiparticle ay polar, ngunit hindi kabaligtaran na mga bagay.

Kaugnay ng nabanggit, ang mga sumusunod na katanungan ay lumitaw:

1) mayroon bang "kabaligtaran na mga bagay" sa kalikasan;

2) posible ang pakikipag-ugnayan sa pagitan nila, ano ang mga tampok ng pakikipag-ugnayan na ito at ang kahalagahan nito sa kalikasan;

3) paano naiiba ang mga pakikipag-ugnayan sa pagitan ng magkapareho, polar at magkasalungat na bagay?

Ang pagtalakay sa mga isyung ito ay may mahalagang ideolohikal na kahalagahan; ang mga positibong resulta ng talakayang ito ay magiging posible upang linawin ang ating mga ideya tungkol sa kung paano gumagana ang kalikasan sa ating paligid. Ang ganitong talakayan ay dapat isagawa batay sa isang tiyak na sistemang pilosopikal at makakaapekto sa lahat ng sangay ng pisika. Sa partikular, maaari tayong maniwala na ang kabaligtaran na mga bagay sa kalikasan ay "bagay" at "mga patlang". Ang “matter” ay karaniwang tumutukoy sa elementarya na mga particle at mga sistemang binubuo ng mga ito: atomic nuclei, atoms, molecules, atbp.; Ang "field" ay tumutukoy sa iba't ibang field ng puwersa: gravitational, electromagnetic, nuclear, atbp. Mayroong dalawang ideya tungkol sa mga field. Ipinapalagay ng isa sa kanila na ang mga patlang ay patuloy na pinupuno ang espasyo sa paligid ng mga particle ng bagay at, bilang "sa espesyal na paraan" na konektado sa kanila, tinutukoy ang kalikasan at intensity ng pakikipag-ugnayan sa pagitan nila. Ang isa pang pananaw ay nagmumungkahi na ang bawat larangan ay binubuo ng "mga espesyal na partikulo ng larangan" na ibinubuga at hinihigop ng mga particle ng bagay at sa gayon ay bumubuo ng mga puwersa ng pakikipag-ugnayan sa pagitan nila. Halimbawa, ang electromagnetic field ay itinuturing na binubuo ng mga photon ("photonic gas"); kung ang kanilang numero sa bawat dami ng yunit ay napakalaki, kung gayon ang electromagnetic field ay kikilos bilang isang tuluy-tuloy na daluyan; kung ang bilang na ito ay maliit at ang mga proseso kung saan ang mga indibidwal na photon ay lumahok ay pinag-aralan, kung gayon ang konsepto ng isang electromagnetic field bilang isang tuluy-tuloy na daluyan ay nawawala ang kahulugan nito.

Dito kinakailangang bigyang-diin na ang kasalukuyang umiiral na mga ideya tungkol sa bagay at larangan ay hindi dapat ituring na pangwakas. Ang pag-unlad ng pang-eksperimentong at teoretikal na pisika ay maaaring humantong hindi lamang sa paglilinaw, kundi pati na rin sa mga radikal na pagbabago sa ating mga ideya tungkol sa kalikasan at ang kakanyahan ng mga phenomena na nagaganap dito. Posible na sa hinaharap ang mga monistikong pananaw sa mundo ay magtatagumpay, ayon sa kung saan ang kalikasan ay binubuo ng: 1) alinman sa mga particle lamang ng bagay, at ang larangan ay isang paraan lamang ng paglalarawan ng pakikipag-ugnayan sa pagitan nila; 2) alinman lamang mula sa iba't ibang larangan, at ang mga particle ng bagay ay ang kanilang "mga espesyal na punto". Gayunpaman, posible na ang lahat ng kilalang pang-eksperimentong data ay makakatanggap ng isang kasiya-siyang paliwanag batay sa isang dualistic na pananaw sa mundo, kung saan ang bagay at mga patlang ay itinuturing na magkasalungat na mga bagay, hindi mababawasan at hindi mapaghihiwalay mula sa isa't isa, ang hindi maihihiwalay na pakikipag-ugnayan na siyang batayan. sa lahat ng natural na phenomena na ating naobserbahan.

Ang dualismo ay inihayag din sa sabay-sabay na pagkakaroon ng isang probabilistiko at hindi malabo na paglalarawan ng mga pisikal na phenomena. Ang klasikal, mahigpit na deterministikong paglalarawan ay hindi maaaring isama sa pisika; ito ay kinakailangan upang ilarawan ang pinaka-malamang na kurso ng pisikal na phenomena. Sa kabilang banda, palaging may scatter sa mga estado ng mga bagay na pinag-aaralan (at ang mga pisikal na dami na naglalarawan sa mga estadong ito), at ang scatter na ito ay probabilistic sa kalikasan. Sa kasalukuyan, ang layunin na pagkakaroon ng mga probabilistikong proseso sa kalikasan ay itinuturing na theoretically at experimentally substantiated; sa quantum physics (tingnan ang Part IV, § 10, 11) ang pagiging natatangi sa pag-uugali ng elementarya na mga particle at microsystem ay karaniwang tinatanggihan. Hindi ito nangangahulugan ng kumpletong pagtanggi sa pagiging natatangi (determinismo) sa kalikasan, ngunit isang limitasyon lamang ng saklaw ng pagkilos. Ang katiyakan at posibilidad ay mga dualistic na konsepto; sila ay hindi mapaghihiwalay (ang probabilistic scatter ay umiiral sa paligid ng mga pinaka-malamang na halaga na kasama sa hindi malabo na mga batas), hindi mababawasan (imposibleng limitahan ang sarili sa isang paraan lamang ng paglalarawan ng mga pisikal na phenomena), at ang kanilang koneksyon sa isa't isa ay makikita sa halos lahat ng mga sangay ng pisika.

Ang dualismo sa elementarya na mga particle ay mahalaga sa pagbuo ng mga katangian ng mga pisikal na sistema na nabuo mula sa mga particle na ito. Isinasaalang-alang ang mga kilalang microphysical system, mapapansin ng isa na sa huli ay nabuo sila mula sa iba't ibang mga particle. Ang magkatulad na mga particle ay alinman ay hindi nakikipag-ugnayan, o sila ay nagtataboy sa isa't isa at hindi bumubuo ng isang pisikal na sistema na may qualitatively bagong mga katangian. Halimbawa, ang mga proton, neutron at mga electron ay indibidwal na hindi bumubuo ng mga pisikal na sistema, ngunit kapag pinagsama-sama ay bumubuo sila ng nuclei at mga atom ng iba't ibang mga sangkap. Ito ay maaaring argued na sa isang koleksyon ng mga kaparehong elementarya particle ay palaging isang simpleng (additive) karagdagan ng kanilang mga katangian. Sa panahon lamang ng pakikipag-ugnayan ng mga particle na may kabaligtaran na mga katangian, nangyayari ang isang espesyal na (kwalitibo) synthesis ng mga katangiang ito, dahil sa kung saan ang mga pisikal na sistema ay nakakakuha ng mga bagong katangian. Kaya, ito ay maaaring argued na ang paglitaw ng qualitatively bagong mga katangian ay posible lamang sa pamamagitan ng pakikipag-ugnayan ng mahalagang iba't ibang mga particle.

Ang layunin na dualismo ng kalikasan ay makikita sa pinakamahalagang pisikal na konsepto. Ang karaniwang halimbawa ay ang mga konsepto ng discreteness at continuity. Hindi sila mababawasan sa isa't isa; kung hindi, maaaring limitado ang isa sa paggamit lamang ng isa sa mga konseptong ito. Sa kasaysayan ng pisika, ang mga pagtatangka ay kilala upang ibukod ang discreteness o pagpapatuloy mula sa paglalarawan ng mga phenomena, ngunit hindi sila nagtagumpay. Ang mga ito ay hindi mapaghihiwalay sa isa't isa at hindi mapaghihiwalay na magkakaugnay sa lahat ng mga pisikal na phenomena, dahil ang mga ito ay kinakailangang may kinalaman sa mga particle at field, na nagpapakilala ng mga elemento ng discreteness at continuity sa kanilang mga pangunahing katangian.

Sa konklusyon, napansin namin na ang pisika mismo bilang isang agham ay bubuo batay sa pakikipag-ugnayan ng dalawang magkasalungat na bahagi - teoretikal at eksperimental, na hindi mapaghihiwalay at magkakaugnay, hindi mababawasan sa bawat isa at nakikipag-ugnayan, na tinutukoy ang direksyon at kurso ng pag-unlad ng pisikal. mga agham.

Panimula

Halos sabay-sabay, dalawang teorya ng liwanag ang iniharap: ang corpuscular theory ni Newton at ang wave theory ni Huygens.

Ayon sa corpuscular theory, o theory of outflow, na iniharap ni Newton sa pagtatapos ng ika-17 siglo, ang mga makinang na katawan ay naglalabas ng maliliit na particle (corpuscles) na lumilipad nang diretso sa lahat ng direksyon at, kapag sila ay pumasok sa mata, nagdudulot ng pandamdam ng liwanag. .

Ayon sa wave theory, ang isang makinang na katawan ay nagdudulot ng elastic vibrations sa isang espesyal na medium na pumupuno sa buong cosmic space - ang world ether - na nagpapalaganap sa eter tulad ng sound waves sa hangin.

Sa panahon nina Newton at Huygens, ang karamihan sa mga siyentipiko ay sumunod sa teorya ng corpuscular ni Newton, na lubos na kasiya-siyang ipinaliwanag ang lahat ng mga light phenomena na kilala noong panahong iyon. Ang pagmuni-muni ng liwanag ay ipinaliwanag na katulad ng pagmuni-muni ng mga nababanat na katawan sa pagtama sa isang eroplano. Ang repraksyon ng liwanag ay ipinaliwanag sa pamamagitan ng pagkilos ng malalaking kaakit-akit na pwersa sa mga corpuscles mula sa isang mas siksik na daluyan. Sa ilalim ng impluwensya ng mga puwersang ito, na nagpapakita ng kanilang mga sarili, ayon sa teorya ni Newton, kapag papalapit sa isang mas siksik na daluyan, ang mga light corpuscle ay nakatanggap ng acceleration na nakadirekta patayo sa hangganan ng medium na ito, bilang isang resulta kung saan binago nila ang direksyon ng paggalaw at sa sabay taas ng kanilang bilis. Ang iba pang mga light phenomena ay ipinaliwanag nang katulad.

Kasunod nito, ang mga bagong obserbasyon na lumitaw ay hindi umaangkop sa balangkas ng teoryang ito. Sa partikular, ang hindi pagkakapare-pareho ng teoryang ito ay natuklasan kapag ang bilis ng pagpapalaganap ng liwanag sa tubig ay sinusukat. Ito ay naging hindi higit pa, ngunit mas mababa kaysa sa hangin.

Sa simula ng ika-19 na siglo, ang teorya ng alon ni Huygens, na hindi kinikilala ng kanyang mga kontemporaryo, ay binuo at pinahusay nina Young at Fresnel at nakatanggap ng unibersal na pagkilala. Noong 60s ng huling siglo, pagkatapos binuo ni Maxwell ang teorya ng electromagnetic field, lumabas na ang liwanag ay mga electromagnetic wave. Kaya, ang wave mechanistic theory ng liwanag ay pinalitan ng wave electromagnetic theory. Ang mga light wave (nakikitang spectrum) ay sumasakop sa hanay na 0.4–0.7 µm sa sukat ng electromagnetic wave. Ang wave theory of light ni Maxwell, na tinatrato ang radiation bilang isang tuluy-tuloy na proseso, ay hindi maipaliwanag ang ilan sa mga bagong natuklasang optical phenomena. Ito ay dinagdagan ng quantum theory ng liwanag, ayon sa kung saan ang enerhiya ng isang light wave ay ibinubuga, ipinamamahagi at hinihigop nang hindi tuloy-tuloy, ngunit sa ilang mga bahagi - light quanta, o photon - na nakasalalay lamang sa haba ng light wave. Kaya, ayon sa mga modernong konsepto, ang liwanag ay may parehong wave at corpuscular properties.

Panghihimasok ng liwanag

Ang mga alon na lumilikha ng mga oscillation sa bawat punto sa espasyo na may pagkakaiba sa bahagi na hindi nagbabago sa paglipas ng panahon ay tinatawag na magkakaugnay. Ang pagkakaiba sa bahagi sa kasong ito ay may pare-pareho, ngunit, sa pangkalahatan, ibang halaga para sa iba't ibang mga punto sa espasyo. Malinaw na ang mga alon lamang ng parehong dalas ang maaaring magkakaugnay.

Kapag ang ilang magkakaugnay na alon ay nagpapalaganap sa kalawakan, ang mga oscillation na nabuo ng mga alon na ito ay nagpapalakas sa isa't isa sa ilang mga punto at nagpapahina sa isa't isa sa iba. Ang phenomenon na ito ay tinatawag na wave interference. Ang mga alon ng anumang pisikal na kalikasan ay maaaring makagambala. Titingnan natin ang interference ng light waves.

Ang mga pinagmumulan ng magkakaugnay na alon ay tinatawag ding magkakaugnay. Kapag ang isang partikular na ibabaw ay naiilaw ng ilang magkakaugnay na pinagmumulan ng liwanag, ang mga salit-salit na liwanag at madilim na guhit ay karaniwang lumilitaw sa ibabaw na ito.

Dalawang independiyenteng pinagmumulan ng ilaw, halimbawa dalawang electric lamp, ay hindi magkakaugnay. Ang mga ilaw na alon na kanilang inilalabas ay resulta ng pagdaragdag ng isang malaking bilang ng mga alon na ibinubuga ng mga indibidwal na atomo. Ang paglabas ng mga alon ng mga atomo ay nangyayari nang sapalaran, at samakatuwid ay walang pare-parehong ugnayan sa pagitan ng mga yugto ng mga alon na ibinubuga ng dalawang pinagmumulan.

Kapag ang ibabaw ay iluminado ng hindi magkakaugnay na mga mapagkukunan, ang pattern ng alternating light at dark stripes na katangian ng interference ay hindi lilitaw. Ang pag-iilaw sa bawat punto ay lumalabas na katumbas ng kabuuan ng pag-iilaw na nilikha ng bawat isa sa mga mapagkukunan nang hiwalay.

Ang magkakaugnay na mga alon ay nagagawa sa pamamagitan ng paghahati ng isang sinag ng liwanag mula sa isang pinagmumulan sa dalawa o higit pang magkahiwalay na sinag.

Ang interference ng liwanag ay maaaring maobserbahan kapag nag-iilaw sa isang transparent na plato na may variable na kapal, lalo na sa isang hugis-wedge na plato, na may mga monochromatic (isang kulay) na sinag. Ang mata ng nagmamasid ay makakatanggap ng mga alon na makikita mula sa harap at likod na ibabaw ng plato. Ang resulta ng interference ay tinutukoy ng phase difference sa pagitan ng dalawang waves, na unti-unting nagbabago sa kapal ng plate. Ang pag-iilaw ay nagbabago nang naaayon: kung ang pagkakaiba sa landas ng mga nakakasagabal na alon sa isang tiyak na punto sa ibabaw ng plato ay katumbas ng isang pantay na bilang ng mga kalahating alon, kung gayon sa puntong ito ang ibabaw ay lilitaw na magaan; kung ang pagkakaiba sa bahagi ay isang kakaibang bilang ng kalahating alon, ito ay lalabas na madilim.

Kapag ang isang plane-parallel plate ay naiilaw ng isang parallel beam, ang pagkakaiba ng bahagi ng mga light wave na sinasalamin mula sa harap at likurang ibabaw nito ay pareho sa lahat ng mga punto - ang plato ay lilitaw na pantay na naiilaw.

Sa paligid ng punto ng pakikipag-ugnay ng isang bahagyang matambok na baso na may isang patag, kapag naiilaw ng isang kulay na ilaw, ang madilim at maliwanag na mga singsing ay sinusunod - ang tinatawag na mga singsing ng Newton. Dito, ang pinakamanipis na layer ng hangin sa pagitan ng dalawang baso ay gumaganap ng papel ng isang reflective film, na may pare-parehong kapal sa mga concentric na bilog.

Diffraction ng liwanag.

Ang isang light wave ay hindi nagbabago sa geometric na hugis ng harap kapag nagpapalaganap sa isang homogenous na daluyan. Gayunpaman, kung ang ilaw ay kumakalat sa isang hindi homogenous na daluyan, kung saan, halimbawa, may mga opaque na screen, mga lugar ng espasyo na may medyo matalim na pagbabago sa refractive index, atbp., pagkatapos ay isang pagbaluktot ng harap ng alon ay sinusunod. Sa kasong ito, ang muling pamamahagi ng intensity ng light wave ay nangyayari sa espasyo. Kapag nag-iilaw, halimbawa, ang mga opaque na screen na may puntong pinagmumulan ng liwanag sa hangganan ng anino, kung saan, ayon sa mga batas ng geometric na optika, dapat magkaroon ng isang biglaang paglipat mula sa anino patungo sa liwanag, ang isang bilang ng mga madilim at magaan na guhitan ay naobserbahan; ang bahagi ng liwanag ay tumagos sa rehiyon ng geometric na anino. Ang mga phenomena na ito ay nauugnay sa diffraction ng liwanag.

Kaya, ang diffraction ng liwanag sa makitid na kahulugan ay ang kababalaghan ng liwanag na baluktot sa paligid ng tabas ng mga opaque na katawan at liwanag na pumapasok sa rehiyon ng isang geometric na anino; sa isang malawak na kahulugan, anumang paglihis sa pagpapalaganap ng liwanag mula sa mga batas ng geometric na optika.

Depinisyon ni Sommerfeld: ang diffraction ng liwanag ay nauunawaan bilang anumang paglihis mula sa rectilinear propagation kung hindi ito maipaliwanag bilang resulta ng pagmuni-muni, repraksyon o pagyuko ng mga sinag ng liwanag sa media na may patuloy na pagbabago ng refractive index.

Kung ang daluyan ay naglalaman ng maliliit na particle (fog) o ang refractive index ay kapansin-pansing nagbabago sa mga distansya ng pagkakasunud-sunod ng wavelength, kung gayon sa mga kasong ito ay pinag-uusapan natin ang tungkol sa pagkalat ng liwanag at ang terminong "diffraction" ay hindi ginagamit.

Mayroong dalawang uri ng light diffraction. Sa pamamagitan ng pag-aaral ng pattern ng diffraction sa isang observation point na matatagpuan sa isang may hangganang distansya mula sa isang obstacle, kami ay nakikitungo sa Fresnel diffraction. Kung ang punto ng pagmamasid at ang pinagmumulan ng liwanag ay matatagpuan napakalayo mula sa balakid na ang mga sinag na insidente sa balakid at ang mga sinag na papunta sa punto ng pagmamasid ay maaaring ituring na magkatulad na mga sinag, pagkatapos ay pinag-uusapan natin ang tungkol sa diffraction sa parallel ray - Fraunhofer diffraction.

Isinasaalang-alang ng teorya ng diffraction ang mga proseso ng alon sa mga kaso kung saan mayroong anumang mga hadlang sa landas ng pagpapalaganap ng alon.

Gamit ang teorya ng diffraction, mga problema tulad ng proteksyon sa ingay gamit ang mga acoustic screen, ang pagpapalaganap ng mga radio wave sa ibabaw ng Earth, ang pagpapatakbo ng mga optical na instrumento (dahil ang imahe na ibinibigay ng isang lens ay palaging isang pattern ng diffraction), ang mga sukat ng kalidad ng ibabaw, ang pag-aaral ng istraktura ng bagay, at marami pang iba ay nalutas. .

Polarisasyon ng liwanag

Ang phenomena ng interference at diffraction, na nagsilbi upang patunayan ang wave nature ng liwanag, ay hindi pa nagbibigay ng kumpletong larawan ng kalikasan ng light waves. Ang mga bagong feature ay ipinahayag sa amin sa pamamagitan ng karanasan ng pagpasa ng liwanag sa mga kristal, lalo na sa pamamagitan ng tourmaline.

Kumuha tayo ng dalawang magkaparehong hugis-parihaba na tourmaline plate, gupitin upang ang isa sa mga gilid ng rektanggulo ay tumutugma sa isang tiyak na direksyon sa loob ng kristal, na tinatawag na optical axis. Ilagay natin ang isang plato sa ibabaw ng isa upang ang kanilang mga palakol ay magkasabay sa direksyon, at ipasa ang isang makitid na sinag ng liwanag mula sa isang parol o araw sa pamamagitan ng nakatiklop na pares ng mga plato. Dahil ang tourmaline ay isang brown-green na kristal, ang bakas ng transmitted beam ay lalabas sa screen bilang isang dark green speck. Simulan natin ang pag-ikot ng isa sa mga plato sa paligid ng beam, na iniiwan ang pangalawa na hindi gumagalaw. Malalaman natin na ang bakas ng sinag ay nagiging mas mahina, at kapag ang plato ay pinaikot 90 0, ito ay ganap na mawawala. Sa karagdagang pag-ikot ng plato, ang dumadaan na sinag ay muling magsisimulang tumindi at maabot ang dating intensity nito kapag umiikot ang plato ng 180 0, i.e. kapag ang mga optical axes ng mga plato ay muling magkatulad. Sa karagdagang pag-ikot ng tourmaline, humihina muli ang sinag.

Ang lahat ng naobserbahang phenomena ay maaaring ipaliwanag kung ang mga sumusunod na konklusyon ay iguguhit.

1) Ang mga light vibrations sa beam ay nakadirekta patayo sa linya ng pagpapalaganap ng liwanag (ang mga light wave ay nakahalang).

2) Ang Tourmaline ay may kakayahang magpadala ng mga light vibrations lamang kapag ang mga ito ay nakadirekta sa isang tiyak na paraan na may kaugnayan sa axis nito.

3) Sa liwanag ng isang parol (araw), ang mga transverse vibrations ng anumang direksyon ay ipinakita at, bukod dito, sa parehong proporsyon, upang walang isang direksyon ang nangingibabaw.

Ang Konklusyon 3 ay nagpapaliwanag kung bakit ang natural na liwanag ay dumadaan sa tourmaline sa parehong lawak sa anumang oryentasyon, bagama't ang tourmaline, ayon sa konklusyon 2, ay nakakapagpadala lamang ng mga light vibrations sa isang tiyak na direksyon. Ang pagdaan ng natural na liwanag sa pamamagitan ng tourmaline ay nagiging sanhi ng mga transverse vibrations na mapili lamang sa mga maaaring ipadala sa pamamagitan ng tourmaline. Samakatuwid, ang liwanag na dumadaan sa tourmaline ay magiging isang hanay ng mga transverse vibrations sa isang direksyon, na tinutukoy ng oryentasyon ng tourmaline axis. Tatawagin namin ang gayong liwanag na linearly polarized, at ang eroplano na naglalaman ng direksyon ng oscillation at ang axis ng light beam - ang eroplano ng polariseysyon.

Ngayon ang eksperimento sa pagpasa ng liwanag sa pamamagitan ng dalawang sunod-sunod na inilagay na tourmaline plate ay nagiging malinaw. Ang unang plato ay nagpo-polarize sa light beam na dumadaan dito, na iniiwan itong mag-oscillate sa isang direksyon lamang. Ang mga vibrations na ito ay maaaring ganap na dumaan sa pangalawang tourmaline kung ang kanilang direksyon ay tumutugma sa direksyon ng mga vibrations na ipinadala ng pangalawang tourmaline, i.e. kapag ang axis nito ay parallel sa axis ng una. Kung ang direksyon ng mga vibrations sa polarized na ilaw ay patayo sa direksyon ng mga vibrations na ipinadala ng pangalawang tourmaline, kung gayon ang ilaw ay ganap na maaantala. Kung ang direksyon ng mga vibrations sa polarized na ilaw ay gumagawa ng isang matinding anggulo sa direksyon na ipinadala ng tourmaline, kung gayon ang mga vibrations ay bahagyang maipapadala lamang.

Banayad na pagpapakalat

Bumaling si Newton sa pag-aaral ng mga kulay na naobserbahan sa panahon ng repraksyon ng liwanag na may kaugnayan sa mga pagtatangka upang mapabuti ang mga teleskopyo. Sa pagsisikap na makuha ang pinakamahusay na kalidad ng mga lente na posible, naging kumbinsido si Newton na ang pangunahing disbentaha ng mga imahe ay ang pagkakaroon ng mga may kulay na gilid. Ginawa ni Newton ang kanyang pinakadakilang pagtuklas sa optical sa pamamagitan ng kanyang pag-aaral ng kulay sa panahon ng repraksyon.

Ang kakanyahan ng mga natuklasan ni Newton ay inilalarawan ng mga sumusunod na eksperimento (Larawan 1) ang liwanag mula sa isang parol ay nagpapaliwanag sa isang makitid na butas na S (slit). Gamit ang isang lens L, ang imahe ng slit ay nakuha sa screen MN sa anyo ng isang maikling puting parihaba S`. Sa pamamagitan ng paglalagay ng prism P sa landas, na ang gilid nito ay kahanay sa hiwa, nalaman namin na ang imahe ng biyak ay lilipat at magiging isang kulay na guhit, ang mga paglipat ng kulay kung saan mula pula hanggang violet ay katulad ng mga naobserbahan. sa isang bahaghari. Tinawag ni Newton ang larawang bahaghari na ito bilang isang spectrum.

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

Napatunayan ni Newton ang mahalagang konklusyong ito sa pamamagitan ng maraming eksperimento. Ang pinakamahalaga sa kanila ay upang matukoy ang refractive index ng mga sinag ng iba't ibang kulay na nakahiwalay sa spectrum. Para sa layuning ito, isang butas ang pinutol sa screen MN kung saan nakuha ang spectrum; Sa pamamagitan ng paglipat ng screen, posible na maglabas ng isang makitid na sinag ng mga sinag ng isang kulay o iba pa sa pamamagitan ng butas. Ang pamamaraang ito ng paghihiwalay ng mga unipormeng sinag ay mas advanced kaysa sa paghihiwalay gamit ang kulay na salamin. Natuklasan ng mga eksperimento na ang gayong nakahiwalay na sinag, na na-refracte sa pangalawang prisma, ay hindi na nag-uunat sa strip. Ang nasabing beam ay tumutugma sa isang tiyak na refractive index, ang halaga nito ay depende sa kulay ng napiling beam.

Ang mga eksperimento na inilarawan ay nagpapakita na para sa isang makitid na kulay na sinag na nakahiwalay sa spectrum, ang refractive index ay may isang napaka-tiyak na halaga, habang ang repraksyon ng puting liwanag ay maaari lamang matukoy ng isang halaga ng index na ito. Sa paghahambing ng mga katulad na obserbasyon, napagpasyahan ni Newton na may mga simpleng kulay na hindi nabubulok kapag dumadaan sa isang prisma, at mga kumplikadong kulay, na kumakatawan sa isang hanay ng mga simple na may iba't ibang mga indeks ng repraktibo. Sa partikular, ang sikat ng araw ay isang kumbinasyon ng mga kulay na nabubulok sa tulong ng isang prisma, na nagbibigay ng isang parang multo na imahe ng slit.

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

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

2) Ang puting kulay ay isang koleksyon ng mga simpleng kulay.

Alam na natin ngayon na ang iba't ibang kulay ay tumutugma sa iba't ibang wavelength ng liwanag. Samakatuwid, ang unang pagtuklas ni Newton ay maaaring mabalangkas tulad ng sumusunod:

Ang refractive index ng isang substance ay depende sa wavelength ng liwanag.

Karaniwan itong tumataas habang bumababa ang wavelength.

Ang hypothesis ni Planck

Sa pagsisikap na malampasan ang mga paghihirap ng klasikal na teorya sa pagpapaliwanag ng radiation ng isang pinainit na solid, ang German physicist na si Max Planck noong 1900. nagpahayag ng hypothesis na minarkahan ang simula ng isang tunay na ebolusyon sa teoretikal na pisika. Ang kahulugan ng hypothesis na ito ay ang reserbang enerhiya ng isang oscillatory system sa equilibrium na may electromagnetic radiation ay hindi maaaring kumuha ng anumang halaga. Ang enerhiya ng mga elementary system na sumisipsip at nagpapalabas ng mga electromagnetic wave ay dapat na katumbas ng isang integer multiple ng ilang partikular na dami ng enerhiya.

Ang pinakamababang dami ng enerhiya na maaaring masipsip o mailabas ng isang sistema ay tinatawag na quantum ng enerhiya. Ang enerhiya ng quantum E ay dapat na proporsyonal sa dalas ng oscillation v:

E= hv .

Salik ng proporsyonalidad h sa expression na ito ay tinatawag na Planck's constant. Ang pare-pareho ni Planck ay

6,6261937 . 10 -34 J . Sa

Ang pare-pareho ng Planck ay kung minsan ay tinatawag na quantum of action. Tandaan na ang dimensyon h ay tumutugma sa dimensyon ng angular momentum.

Batay sa bagong ideyang ito, nakuha ni Planck ang batas ng pamamahagi ng enerhiya sa spectrum, na sumasang-ayon sa pang-eksperimentong data. Ang magandang kasunduan ng theoretically predicted law na may eksperimento ay isang masusing pagkumpirma ng quantum hypothesis ni Planck.

Pagtuklas ng photoelectric effect

Ang quanta hypothesis ni Planck ay nagsilbing batayan para ipaliwanag ang phenomenon ng photoelectric effect, na natuklasan noong 1887. German physicist na si Heinrich Hertz.

Ang kababalaghan ng photoelectric effect ay nakita sa pamamagitan ng pag-iilaw ng zinc plate na konektado sa baras ng isang electrometer. Kung ang isang positibong singil ay inilipat sa plato at baras, kung gayon ang electrometer ay hindi naglalabas kapag ang plato ay naiilaw. Sa pamamagitan ng pagbibigay ng negatibong singil sa kuryente sa plato, ang electrometer ay naglalabas sa sandaling tumama ang ultraviolet radiation sa plato. Ang eksperimentong ito ay nagpapatunay na ang mga negatibong singil sa kuryente ay maaaring ilabas mula sa ibabaw ng isang metal plate sa ilalim ng impluwensya ng liwanag. Ang pagsukat ng singil at masa ng mga particle na inilabas ng liwanag ay nagpakita na ang mga particle na ito ay mga electron.

Mayroong ilang mga uri ng photoeffects: panlabas at panloob na photoeffects, valve photoeffects at ilang iba pang mga epekto.

Ang panlabas na photoelectric effect ay ang phenomenon ng mga electron na inilalabas mula sa isang substance sa ilalim ng impluwensya ng light incident dito.

Ang panloob na photoelectric effect ay ang hitsura ng mga libreng electron at mga butas sa isang semiconductor bilang resulta ng pagkasira ng mga bono sa pagitan ng mga atomo dahil sa enerhiya ng liwanag na insidente sa semiconductor.

Ang gate photoelectric effect ay ang paglitaw sa ilalim ng impluwensya ng liwanag ng isang electromotive force sa isang sistema na naglalaman ng contact sa pagitan ng dalawang magkaibang semiconductors o isang semiconductor at isang metal.

Mga batas ng photoelectric effect

Ang mga quantitative na batas ng photoelectric effect ay itinatag ng natitirang Russian physicist na si Alexander Grigorievich Stoletov (1839 - 1896) noong 1888 - 1889. Gamit ang isang vacuum glass balloon na may dalawang electrodes (Larawan 2), pinag-aralan niya ang pagtitiwala ng kasalukuyang sa lobo sa boltahe sa pagitan ng mga electrodes at ang mga kondisyon ng pag-iilaw ng elektrod.

Sa isang vacuum cylinder mayroong dalawang metal electrodes A at K, kung saan inilalapat ang boltahe. Ang polarity ng mga electrodes at ang boltahe na inilapat sa kanila ay maaaring baguhin gamit ang center-tapped potentiometer R. Kapag ang potentiometer slider ay nasa kaliwa ng midpoint, ang minus ay inilalapat sa electrode A, at ang plus ay inilalapat sa electrode K. Ang boltahe na inilapat sa pagitan ng mga electrodes ay sinusukat gamit ang isang voltmeter V. Ang Electrode K ay irradiated na may liwanag sa pamamagitan ng isang window na natatakpan ng quartz glass. Sa ilalim ng impluwensya nito, ang mga electron (tinatawag na photoelectrons) ay hinugot mula sa electrode na ito, na lumilipad sa electrode A at bumubuo ng isang photocurrent, na naitala ng isang milliammeter mA.

Sa inilarawan na pag-install, gamit ang mga electrodes na gawa sa iba't ibang mga metal para sa bawat iluminado

mga sangkap, posible na makuha ang kasalukuyang-boltahe na mga katangian ng panlabas na photoelectric effect (i.e., ang pag-asa ng lakas ng photocurrent I sa boltahe U sa pagitan ng mga electrodes) sa iba't ibang mga halaga ng insidente ng light energy flux.

Dalawang ganoong katangian ang ipinakita sa (Larawan 3).

Ang mga sumusunod na pattern at batas ng panlabas na photoelectric na epekto ay nai-eksperimentong itinatag.

1. Sa kawalan ng boltahe sa pagitan ng mga electrodes, ang photocurrent ay hindi zero. Nangangahulugan ito na ang mga photoelectron ay may kinetic energy kapag umalis sila.

2. Habang tumataas ang U, unti-unting tumataas ang photocurrent na I, dahil dumaraming bilang ng mga photoelectron ang umaabot sa anode.

3. Kapag ang isang tiyak na accelerating boltahe U n ay naabot sa pagitan ng mga electrodes, ang lahat ng mga electron knocked out mula sa cathode ay umabot sa anode at ang lakas ng photocurrent ay tumigil sa pagdepende sa boltahe. Ang nasabing photocurrent, ang lakas nito ay hindi tumataas sa pagtaas ng boltahe, ay tinatawag na saturation photocurrent. Kung ang bilang ng mga photoelectron na ibinubuga mula sa iluminado na metal sa bawat yunit ng oras ay n e, kung gayon ang lakas ng saturation photocurrent

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

Samakatuwid, sa pamamagitan ng pagsukat ng lakas ng kasalukuyang saturation, posibleng matukoy ang bilang ng mga photoelectron na ibinubuga sa isang segundo.

4. Ang lakas ng saturation photocurrent ay direktang proporsyonal sa flux ng light energy incident sa metal (ang unang batas ng photoelectric effect):

ako n = g F

Narito ang g ay ang proportionality coefficient, na tinatawag na photosensitivity ng substance. Dahil dito, ang bilang ng mga electron na na-eject mula sa isang substance sa isang segundo ay direktang proporsyonal sa daloy ng insidente ng light energy sa substance na ito.

5. Dahil sa paunang kinetic energy, ang mga electron ay maaaring gumawa ng trabaho laban sa mga puwersa ng nagpapabagal na electric field. Samakatuwid, ang photocurrent ay umiiral din sa rehiyon ng mga negatibong boltahe mula 0 hanggang U 3 (ang electrode A ay konektado sa "minus" ng kasalukuyang mapagkukunan). Simula sa isang tiyak na boltahe ng pagkaantala U 3, humihinto ang photocurrent. Sa kasong ito, ang gawain ng retarding electric field A e = eU 3 ​​​​ay katumbas ng maximum na paunang kinetic energy ng photoelectrons W km. =mv m 2/2:

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

V m = 2e U 3 / m

Kaya, sa pamamagitan ng pagsukat ng retardation boltahe U 3, posibleng matukoy ang maximum na paunang kinetic energy at ang maximum na paunang bilis ng photoelectrons.

6. Ang halaga ng retarding boltahe, at samakatuwid ang maximum na kinetic energy at maximum na bilis ng photoelectrons ay hindi nakasalalay sa intensity ng liwanag ng insidente, ngunit depende sa dalas nito (ang pangalawang batas ng photoelectric effect).

7. Para sa bawat sangkap mayroong isang tiyak na halaga ng dalas v k (at, samakatuwid, wavelength l k), tulad na sa mga frequency v liwanag ng insidente ng mas maliliit v k (i.e., light wavelength na mas malaki kaysa l k), ang photoelectric effect ay hindi sinusunod (ikatlong batas ng photoelectric effect). Dalas v k (at wavelength l k) ay tinatawag na pulang limitasyon ng photoelectric effect. Halimbawa, kapag ang isang zinc plate ay na-irradiated na may nakikitang liwanag, kahit na sa isang napakataas na intensity, ang photoelectric effect ay hindi nangyayari, samantalang kapag ito ay irradiated na may ultraviolet light, kahit na sa isang napakababang intensity, isang photoelectric effect ay sinusunod.

8. Mula sa simula ng pag-iilaw ng metal na may liwanag hanggang sa simula ng paglabas ng mga photoelectron, lumilipas ang oras t<10 -9 с. Следовательно, фотоэффект безынерционен. Если частота падающего света v > v k, pagkatapos ay ang paglabas ng mga photoelectron ay nangyayari halos kaagad. Kung v < v Samakatuwid, gaano man katagal ang metal ay iluminado, ang photoelectric effect ay hindi sinusunod.

Mga photon

Sa relativistic physics (ang teorya ng relativity) ipinapakita na ang mass m at energy W ay magkakaugnay:

W = mc 2

Samakatuwid, enerhiya quantum Wф=h v ang electromagnetic radiation ay tumutugma sa masa

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

Ang electromagnetic radiation, at samakatuwid ang photon, ay umiiral lamang kapag nagpapalaganap sa isang bilis Sa. Nangangahulugan ito na ang natitirang masa ng photon ay zero.

Photon, may mass m f at mabilis na gumagalaw Sa, may momentum

p f = m f c = h v / c

Ang photon ay mayroon ding sariling angular momentum, na tinatawag paikutin .

L f= h /2 p= h

Ang isang bagay na may enerhiya, masa, momentum, o angular na momentum ay malamang na nauugnay sa isang particle. Samakatuwid, ang dami ng enerhiya ng electromagnetic radiation - isang photon - ay tulad ng isang particle ng electromagnetic radiation, sa partikular na liwanag.

Mula sa katotohanan na ang electromagnetic radiation ay isang koleksyon ng mga photon, ito ay sumusunod na ang electromagnetic field ng isang particle ay isang koleksyon ng mga photon na ibinubuga at hinihigop ng particle mismo.

Sa loob ng balangkas ng klasikal na pisika, ang paglabas ng isang carrier ng pakikipag-ugnayan ng isang libreng particle ay ipinagbabawal ng mga batas ng konserbasyon ng enerhiya at momentum. Tinatanggal ng quantum physics ang pagbabawal na ito gamit ang kaugnayan sa pagitan ng mga kawalan ng katiyakan ng enerhiya at oras. Bukod dito, nagtatatag ito ng koneksyon sa pagitan ng masa ng carrier ng pakikipag-ugnayan at ang hanay ng pagkilos.

Ang ganitong mga proseso na nagpapatuloy na parang lumalabag sa batas ng konserbasyon ng enerhiya ay karaniwang tinatawag na mga virtual na proseso, at ang mga particle na sumasailalim sa pakikipag-ugnayan at hindi maaaring magkaroon ng enerhiya at momentum na nauugnay sa parehong paraan tulad ng sa mga libreng particle ay tinatawag na mga virtual na particle. Hindi matukoy ang mga virtual exchange particle na kasangkot sa pakikipag-ugnayan. Ngunit sa pamamagitan ng pagtaas ng enerhiya ng naglalabas na particle, halimbawa, sa pamamagitan ng pagpapabilis ng mga electron, ang mga virtual na photon ay maaaring maging tunay, libre na maaaring mairehistro. Ito ang proseso ng paglabas ng mga tunay na photon.

Ang representasyong ito ng electromagnetic field ay humahantong sa isang rebisyon ng konsepto ng pakikipag-ugnayan ng mga electrically charged na particle sa pamamagitan ng isang electromagnetic field. Kung mayroong isa pang sisingilin na particle mula sa isang particle, kung gayon ang isang photon na ibinubuga ng isang particle ay maaaring makuha ng isa pa, at kabaliktaran, na nagreresulta sa isang palitan ng mga photon, i.e. magsisimulang mag-interact ang mga particle. Kaya, ang electromagnetic na pakikipag-ugnayan ng mga particle ay nangyayari sa pamamagitan ng pagpapalitan ng mga photon. Ang mekanismo ng pakikipag-ugnayan na ito ay tinatawag palitan at nalalapat sa lahat ng pakikipag-ugnayan. Ang anumang field ay isang hanay ng quanta - mga carrier ng mga pakikipag-ugnayan na ibinubuga ng isang nakikipag-ugnayan na particle, at ang anumang pakikipag-ugnayan ay isang palitan ng mga carrier ng pakikipag-ugnayan.

Sa konklusyon, tandaan namin na ang photon ay isa sa mga particle mula sa pangkat ng mga pangunahing particle.

Ang imposibilidad ng pagpapaliwanag ng mga batas ng photoelectric na epekto sa batayan ng mga konsepto ng alon ng liwanag.

Ang mga pagtatangka ay ginawa upang ipaliwanag ang mga batas ng panlabas na photoelectric na epekto sa batayan ng mga konsepto ng alon ng liwanag. Ayon sa mga ideyang ito, ganito ang hitsura ng mekanismo ng photoelectric effect. Isang liwanag na alon ang bumagsak sa metal. Ang mga electron na matatagpuan sa ibabaw na layer nito ay sumisipsip ng enerhiya ng alon na ito, at ang kanilang enerhiya ay unti-unting tumataas. Kapag ito ay naging mas malaki kaysa sa work function, ang mga electron ay nagsisimulang lumipad palabas ng metal. Kaya, ang wave theory ng liwanag ay may kakayahang qualitatively na ipaliwanag ang phenomenon ng photoelectric effect.

Gayunpaman, ipinakita ng mga kalkulasyon na sa paliwanag na ito, ang oras sa pagitan ng pagsisimula ng pag-iilaw ng metal at ng pagsisimula ng paglabas ng mga electron ay dapat nasa pagkakasunud-sunod ng sampung segundo. Samantala, mula sa karanasan ay sumusunod na t<10 -9 c. Следовательно, волновая теория света не объясняет безынерционности фотоэффекта. Не может она объяснить и остальные законы фотоэффекта.

Ayon sa wave theory, ang kinetic energy ng photoelectrons ay dapat tumaas sa pagtaas ng intensity ng light incident sa metal. At ang intensity ng wave ay tinutukoy ng amplitude ng boltahe na pagbabagu-bago E, at hindi sa dalas ng liwanag. (Tanging ang bilang ng mga electron na na-knock out at ang lakas ng saturation current ay nakasalalay sa intensity ng liwanag ng insidente.)

Mula sa teorya ng alon ito ay sumusunod na ang enerhiya na kinakailangan upang mapunit ang mga electron mula sa isang metal ay maaaring ibigay ng radiation ng anumang wavelength kung ang intensity nito ay sapat na mataas, i.e. na ang photoelectric effect ay maaaring sanhi ng anumang light radiation. Gayunpaman, mayroong isang pulang limitasyon sa photoelectric effect, i.e. Ang enerhiya na natanggap ng mga electron ay hindi nakasalalay sa amplitude ng alon, ngunit sa dalas nito.

Kaya, ang mga pagtatangka na ipaliwanag ang mga batas ng photoelectric na epekto sa batayan ng mga konsepto ng alon ng liwanag ay naging hindi mapagkakatiwalaan.

Pagpapaliwanag ng mga batas ng photoelectric effect batay sa quantum concepts ng liwanag. Ang equation ni Einstein para sa photoelectric effect.

Upang ipaliwanag ang mga batas ng photoelectric effect, ginamit ni A. Einstein ang mga quantum concepts ng liwanag, na ipinakilala ni Planck upang ilarawan ang thermal radiation ng mga katawan.

Si Einstein, na nagsusuri ng mga pagbabago sa enerhiya ng radiation mula sa isang ganap na itim na katawan, ay dumating sa konklusyon na ang radiation ay kumikilos na parang binubuo ito ng N=W/(hv) independiyenteng dami ng enerhiya ng magnitude hv bawat isa. Ayon kay Einstein, sa panahon ng pagpapalaganap ng liwanag na lumilitaw mula sa anumang punto, ang enerhiya ay hindi patuloy na ipinamamahagi sa isang patuloy na pagtaas ng espasyo. Binubuo ang enerhiya ng isang may hangganang bilang ng quanta ng enerhiya na naisalokal sa kalawakan. Ang mga quanta na ito ay gumagalaw nang hindi nahahati sa mga bahagi; maaari lamang silang masipsip at mailabas sa kabuuan.

Kaya, dumating si Einstein sa konklusyon na ang liwanag ay hindi lamang ibinubuga, ngunit nagpapalaganap din sa kalawakan at hinihigop ng bagay sa anyo ng quanta. Mga bahagi ng light radiation - light quanta - pagkakaroon ng corpuscular properties, i.e. mga katangian ng mga particle na carrier ng mga katangian ng electromagnetic field. Ang mga particle na ito ay tinatawag na mga photon.

Mula sa punto ng view ng mga konsepto ng quantum ng liwanag, ang enerhiya ng monochromatic radiation na insidente sa isang metal ay binubuo ng mga photon na may enerhiya.

W f = h v

W St. = NW f = Nh v

at ang light energy flux ay katumbas ng

Ф= W St. / t = Nh v / t = n f h v

kung saan ang N ay ang bilang ng mga photon na insidente sa metal sa panahon ng t; n f – ang bilang ng mga photon na insidente sa metal bawat yunit ng oras.

Ang pakikipag-ugnayan ng radiation sa bagay ay binubuo ng isang malaking bilang ng mga elementarya, sa bawat isa kung saan ang isang electron ay ganap na sumisipsip ng enerhiya ng isang photon. Kung ang enerhiya ng photon ay mas malaki kaysa sa o katumbas ng function ng trabaho, kung gayon ang mga electron ay lumipad palabas ng metal. Sa kasong ito, ang bahagi ng enerhiya ng hinihigop na photon ay ginugugol sa pagsasagawa ng work function A sa, at ang natitira ay bumubuo ng kinetic energy ng photoelectron. kaya lang

W f =A sa + W Upang ; h v =A sa + mv 2 /2.

Ang expression na ito ay tinatawag na Einstein's equation para sa photoelectric effect.

Ipinapakita nito na ang kinetic energy ng mga photoelectron ay nakasalalay sa dalas ng liwanag ng insidente (ang pangalawang batas ng photoelectric effect).

Kung ang enerhiya ng quanta ay mas mababa kaysa sa work function, kung gayon walang mga electron na ibinubuga sa anumang liwanag na intensity. Ipinapaliwanag nito ang pagkakaroon ng pulang hangganan ng photoelectric effect (ikatlong batas ng photoelectric effect).

Ipakita natin ngayon kung paano ipinaliwanag ang unang batas ng photoelectric effect batay sa mga konsepto ng quantum ng liwanag.

Ang bilang ng mga electron na inilabas dahil sa photoelectric effect n e ay dapat na proporsyonal sa bilang ng light quanta n f insidente sa ibabaw;

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

kung saan ang k ay isang koepisyent na nagpapakita kung anong bahagi ng insidente ang mga photon na nagpapatumba ng mga electron mula sa metal. (Tandaan na maliit na bahagi lamang ng quanta ang naglilipat ng kanilang enerhiya sa mga photoelectron. Ang enerhiya ng natitirang quanta ay ginugugol sa pag-init ng sangkap na sumisipsip ng liwanag). Tinutukoy ng bilang ng mga photon n f ang energy flux ng liwanag ng insidente.

Kaya, ang quantum theory ng liwanag ay ganap na nagpapaliwanag sa lahat ng mga batas ng panlabas na photoelectric effect. Kaya, hindi mapag-aalinlanganan na nakumpirma ng eksperimento na ang liwanag, bilang karagdagan sa mga katangian ng alon, ay may mga katangian ng corpuscular.

Corpuscular-wave na kalikasan ng liwanag

Ang phenomena ng interference, diffraction, at polarization ng liwanag mula sa kumbensyonal na pinagmumulan ng liwanag ay hindi maikakaila na nagpapahiwatig ng mga katangian ng alon ng liwanag. Gayunpaman, kahit na sa mga phenomena na ito, sa ilalim ng naaangkop na mga kondisyon, ang liwanag ay nagpapakita ng mga katangian ng corpuscular. Sa turn, ang mga batas ng thermal radiation ng mga katawan, ang photoelectric effect at iba pa ay hindi mapag-aalinlanganan na nagpapahiwatig na ang ilaw ay kumikilos hindi bilang isang tuluy-tuloy, pinahabang alon, ngunit bilang isang daloy ng "mga kumpol" (mga bahagi, quanta) ng enerhiya, i.e. tulad ng isang stream ng mga particle - mga photon. Ngunit sa mga hindi pangkaraniwang bagay na ito, ang liwanag ay mayroon ding mga katangian ng alon; ang mga ito ay hindi mahalaga para sa mga phenomena na ito.

Ang tanong ay lumitaw: ang liwanag ba ay isang tuluy-tuloy na electromagnetic wave na ibinubuga ng isang pinagmulan, o isang stream ng discrete photon na ibinubuga ng isang pinagmulan? Ang pangangailangang ipatungkol sa liwanag, sa isang banda, quantum, corpuscular properties, at sa kabilang banda, wave properties, ay maaaring lumikha ng impresyon ng di-kasakdalan ng ating kaalaman tungkol sa mga katangian ng liwanag. Ang pangangailangang gumamit ng magkaiba at tila magkaibang mga konsepto kapag nagpapaliwanag ng mga eksperimentong katotohanan ay tila artipisyal. Gusto kong isipin na ang buong iba't ibang mga optical phenomena ay maaaring ipaliwanag sa batayan ng isa sa dalawang punto ng view sa mga katangian ng liwanag.

Ang isa sa pinakamahalagang tagumpay ng pisika ng ating siglo ay ang unti-unting pagkumbinsi sa kamalian ng mga pagtatangka na ihambing ang wave at quantum properties ng liwanag sa isa't isa. Ang mga katangian ng pagpapatuloy na katangian ng electromagnetic field ng isang light wave ay hindi ibinubukod ang mga katangian ng discreteness na katangian ng light quanta - mga photon. Ang liwanag nang sabay-sabay ay may mga katangian ng tuloy-tuloy na electromagnetic waves at mga katangian ng discrete photon. Kinakatawan nito ang diyalektikong pagkakaisa ng mga magkasalungat na katangiang ito. Ang electromagnetic radiation (ilaw) ay isang stream ng mga photon, ang pagpapalaganap at pamamahagi nito sa espasyo ay inilalarawan ng mga equation ng electromagnetic waves. Kaya, ang liwanag ay may likas na corpuscular-wave.

Ang corpuscular-wave na kalikasan ng liwanag ay makikita sa formula

p f = h v / c = h / l

pagkonekta sa corpuscular na katangian ng isang photon - impulse na may wave na katangian ng liwanag - na may dalas (o wavelength).

Gayunpaman, ang likas na corpuscular-wave ng liwanag ay hindi nangangahulugan na ang liwanag ay parehong particle at wave sa kanilang karaniwang klasikal na representasyon.

Ang relasyon sa pagitan ng corpuscular at wave properties ng liwanag ay nakakahanap ng isang simpleng interpretasyon gamit ang isang istatistikal (malamang) na diskarte sa pagsasaalang-alang sa pamamahagi at pagpapalaganap ng mga photon sa espasyo.

1) Isaalang-alang ang diffraction ng liwanag, halimbawa, sa pamamagitan ng isang bilog na butas.

Kung ang isang photon ay dumaan sa butas, hindi magkakaroon ng salit-salit na liwanag at madilim na mga guhit sa screen, gaya ng inaasahan mula sa isang wave point of view; ang photon ay tumama sa isang punto o isa pa sa screen, at hindi kumakalat sa kabuuan nito, dahil dapat ito ay ayon sa mga konsepto ng wave. Ngunit sa parehong oras, imposibleng isaalang-alang ang isang photon bilang isang particle at kalkulahin nang eksakto kung anong punto ang tumama, na maaaring gawin kung ang photon ay isang klasikal na particle.

Kung ang N photon ay dumaan sa sunud-sunod na butas, ang iba't ibang photon ay maaaring tumama sa iba't ibang mga punto sa screen. Ngunit sa mga lugar kung saan, ayon sa mga konsepto ng alon, dapat mayroong mga light stripes, ang mga photon ay mas madalas na mahuhulog.

Kung ang lahat ng N photon ay dumaan sa butas nang sabay-sabay, kung gayon sa bawat punto sa kalawakan at sa screen ay mayroong kasing daming photon kapag dumaan sila nang paisa-isa. Ngunit sa kasong ito, ang katumbas na bilang ng mga photon ay tumama sa bawat punto ng screen nang sabay-sabay at, kung ang N ay malaki, ang pattern ng diffraction na inaasahan mula sa punto ng view ng mga konsepto ng wave ay makikita sa screen.

Halimbawa, para sa dark interference fringes ang squared amplitude ng oscillation at ang probability density ng pagtama ng photon ay minimal, at para sa light fringes ang squared amplitude at ang probability density ay maximum.

Kaya, kung ang liwanag ay naglalaman ng napakalaking bilang ng mga photon, kung gayon sa ilalim ng diffraction maaari itong ituring na isang tuluy-tuloy na alon, bagama't binubuo ito ng mga discrete, hindi malabo na mga photon.

2) Sa kababalaghan ng panlabas na photoelectric effect, mahalaga na ang bawat photon ay bumangga sa isang electron lamang (tulad ng isang particle na may isang particle) at sinisipsip nito, nang hindi nahahati sa mga bahagi, sa kabuuan, at hindi kung aling partikular na photon tumama sa kung aling partikular na libreng electron (ito ay tinutukoy ng mga katangian ng alon) at natumba ito. Samakatuwid, sa photoelectric effect, ang liwanag ay maaaring ituring na isang stream ng mga particle.

Ang corpuscular-wave na katangian ng electromagnetic radiation ay partikular na itinatag para sa liwanag dahil ang ordinaryong sikat ng araw, na kung saan natin nakikitungo sa pang-araw-araw na buhay, sa isang banda, ay kumakatawan sa isang daloy ng isang malaking bilang ng mga photon at malinaw na nagpapakita ng mga katangian ng alon, at sa kabilang banda. , ang mga photon ng liwanag ay may sapat na enerhiya upang maisakatuparan ang mga epekto tulad ng photoionization, photoluminescence, photosynthesis, photoelectric effect, kung saan ang mga katangian ng corpuscular ay gumaganap ng isang mapagpasyang papel. Ang mga photon, na katumbas, halimbawa, sa mga radio wave, ay may mababang enerhiya, at ang mga indibidwal na photon ay walang kapansin-pansing mga epekto, at ang mga naitalang radio wave ay dapat na naglalaman ng maraming mga photon at kumikilos na mas katulad ng mga alon. g- Ang mga sinag na nagmumula sa radioactive decay ng nuclei at nuclear reactions ay may mataas na enerhiya, ang kanilang pagkilos ay madaling naitala, ngunit ang daloy ng isang malaking bilang ng mga photon ay nakuha sa ilalim ng mga espesyal na kondisyon sa mga nuclear reactor. Samakatuwid, ang mga g-ray ay madalas na nagpapakita ng kanilang mga sarili bilang mga particle sa halip na bilang mga alon.

Kaya, ang liwanag ay corpuscular sa kahulugan na ang enerhiya, momentum, masa at spin nito ay naisalokal sa mga photon, at hindi nakakalat sa espasyo, ngunit hindi sa kahulugan na ang isang photon ay matatagpuan sa isang tiyak na tinukoy na lokasyon sa espasyo. Ang liwanag ay kumikilos tulad ng isang alon sa kahulugan na ang pagpapalaganap at pamamahagi ng mga photon sa espasyo ay probabilistiko: ang posibilidad na ang isang photon ay nasa isang partikular na punto ay tinutukoy ng parisukat ng amplitude sa puntong iyon. Ngunit ang probabilistic (alon) na katangian ng pamamahagi ng mga photon sa espasyo ay hindi nangangahulugan na ang photon ay matatagpuan sa anumang isang punto sa bawat sandali ng oras.

Kaya, pinagsasama ng liwanag ang pagpapatuloy ng mga alon at ang discreteness ng mga particle. Kung isasaalang-alang natin na ang mga photon ay umiiral lamang kapag gumagalaw (sa bilis c), pagkatapos ay dumating tayo sa konklusyon na ang ilaw nang sabay-sabay ay may parehong mga katangian ng alon at corpuscular. Ngunit sa ilang mga phenomena, sa ilalim ng ilang mga kundisyon, ang alinman sa wave o corpuscular na katangian ay gumaganap ng pangunahing papel, at ang liwanag ay maaaring ituring na alinman bilang isang alon o bilang mga particle (corpuscles).

Praktikal na aplikasyon ng light interference

Application ng holography sa hindi mapanirang pagsubok ng mga materyales.

Kapag nagbabasa ng tulad ng isang hologram, ang parehong mga wave ng bagay ay muling ginawa at nakakasagabal. Kung ang pagpapapangit ng bagay ay maliit (maihahambing sa haba ng daluyong l), kung gayon ang imahe ng bagay ay magiging malinaw, ngunit natatakpan ng mga fringes ng interference, ang lapad at hugis nito ay ginagawang posible na quantitatively ilarawan ang pagpapapangit ng bagay, dahil ang hitsura ng mga palawit sa bawat punto sa ibabaw ay proporsyonal sa pagbabago sa haba ng optical path.

Ginagamit din ang holographic interferometry upang makita ang mga depekto kung ang mga ito (mga bitak, voids, inhomogeneity ng mga katangian ng materyal, atbp.) ay humantong sa abnormal na pagpapapangit ng ibabaw ng isang bagay sa ilalim ng paglo-load. Natutukoy ang mga deformasyon sa pamamagitan ng mga pagbabago sa pattern ng interference kumpara sa pattern na lumilitaw nang walang depektong sample.

Gumagamit ang Holographic interference non-destructive testing ng iba't ibang paraan ng paglo-load. Halimbawa, sa ilalim ng mekanikal na pag-load, ang mga microcrack na ilang milimetro ang haba ay nakita at naisalokal, kapwa sa ibabaw ng materyal at sa paligid nito. Ang ganitong mga pag-aaral ay isinasagawa, sa partikular, upang makita ang mga bitak sa kongkreto at subaybayan ang kanilang paglaki.

Ang holographic interferometry ay ginagamit upang pag-aralan ang kalidad ng mga joints sa mga guwang na istruktura, pagkatapos ay ginagamit ang pressure loading at vacuum loading. Ang pagpapapangit sa mga lugar na may sira at, samakatuwid, ang mga pattern ng interference ay naiiba mula sa pagpapapangit ng iba pang mga lugar ng istraktura.

Madalas na ginagamit ang thermal loading. Ang pamamaraang ito ay batay sa pag-aaral ng mga pagpapapangit sa ibabaw na nangyayari kapag nagbabago ang temperatura sa ibabaw. Sa zone ng depekto, ang patlang ng temperatura ay nasira, na humahantong sa isang lokal na pagbabago sa pagpapapangit at, dahil dito, sa isang pagbaluktot ng pattern ng interference. Dahil sa mataas na sensitivity ng holographic interferometry, lumilitaw ang mga naitala na deformation kapag ang temperatura ng bagay ay nagbabago lamang ng ilang degree kumpara sa temperatura sa paligid.

Application ng photoelectric effect

Ang pinakasimpleng aparato na gumagana gamit ang photoelectric effect ay isang vacuum photocell. Ang vacuum photocell ay binubuo ng isang glass bulb na nilagyan ng dalawang electrical lead. Ang panloob na ibabaw ng prasko ay bahagyang natatakpan ng isang manipis na layer ng metal. Ang patong na ito ay nagsisilbing cathode ng photocell. Ang anode ay matatagpuan sa gitna ng silindro. Ang mga terminal ng cathode at anode ay konektado sa isang palaging pinagmumulan ng boltahe. Kapag ang katod ay iluminado, ang mga electron ay inilabas mula sa ibabaw nito. Ang prosesong ito ay tinatawag na panlabas na photoelectric effect. Ang mga electron ay gumagalaw sa ilalim ng impluwensya ng isang electric field patungo sa anode. Lumilitaw ang isang electric current sa photocell circuit; ang kasalukuyang lakas ay proporsyonal sa kapangyarihan ng light radiation. Kaya, pinapalitan ng photocell ang enerhiya ng light radiation sa enerhiya ng electric current.

Ginagamit din ang mga semiconductor photocell upang i-convert ang enerhiya ng light radiation sa enerhiya ng electric current.

Ang elemento ng semiconductor ay may sumusunod na istraktura. Ang isang manipis na layer ng electronic na conducting semiconductor ay nilikha sa isang patag na kristal ng silicon o iba pang butas-conducting semiconductor. Ang isang p–n junction ay nangyayari sa interface sa pagitan ng mga layer na ito. Kapag ang isang semiconductor crystal ay iluminado, bilang isang resulta ng light absorption, ang pamamahagi ng enerhiya ng mga electron at mga butas ay nagbabago. Ang prosesong ito ay tinatawag na internal photoelectric effect. Bilang resulta ng panloob na epekto ng photoelectric, ang bilang ng mga libreng electron at butas sa semiconductor ay tumataas, at sila ay pinaghihiwalay sa hangganan ng p–n junction.

Kapag ang kabaligtaran ng mga layer ng isang semiconductor photocell ay konektado sa pamamagitan ng isang konduktor, isang electric current arises sa circuit; Ang kasalukuyang lakas sa circuit ay proporsyonal sa kapangyarihan ng luminous flux incident sa photocell.

Ang pagbukas ng photocell nang sunud-sunod gamit ang paikot-ikot na electromagnetic relay ay nagbibigay-daan sa iyong awtomatikong i-on o i-off ang mga actuator kapag tumama ang liwanag sa photocell. Ang mga photocell ay ginagamit sa sinehan upang magparami ng tunog na naitala sa pelikula bilang isang soundtrack.

Ang mga semiconductor photocell ay malawakang ginagamit sa mga artipisyal na Earth satellite, interplanetary automatic stations at orbital stations bilang mga power plant, sa tulong kung saan ang solar radiation energy ay na-convert sa electrical energy. Ang kahusayan ng modernong semiconductor photovoltaic generators ay lumampas sa 20%.

Ang mga semiconductor photocell ay lalong ginagamit sa pang-araw-araw na buhay. Ginagamit ang mga ito bilang hindi nababagong kasalukuyang mga mapagkukunan sa mga relo at microcalculator.

Panimula 3

Panghihimasok 4

Diffraction 5

Polarisasyon 6

Pagkakaiba 8

Ang hypothesis ni Planck 9

Pagtuklas ng Photo Effect 10

Mga batas ng photoelectric effect 11

Mga Photon 14

Ang imposibilidad ng pagpapaliwanag ng photoelectric na epekto sa batayan ng mga konsepto ng alon ng liwanag 15

Pagpapaliwanag ng mga batas ng photoelectric effect batay sa quantum concepts ng liwanag. Ang equation ni Einstein para sa photoelectric effect 16

Corpuscular – wave nature ng liwanag 18

Praktikal na aplikasyon ng light interference 21

Paglalapat ng photoelectric effect 23

Mga Sanggunian 25

Moscow State Academy of Water Transport

Kagawaran ng Physics at Chemistry

Abstract sa konsepto ng modernong natural na agham (sa pisika)

sa paksa ng:

"Wave-particle duality, ang kahalagahan nito sa teorya at eksperimentong kumpirmasyon"

Nakumpleto:

2nd year student

Mga pangkat ng MVT-4

Guro:

Kobranov.M.E

Moscow 2001

Bibliograpiya:

Gribov L.A. Prokofieva N.I., "Mga Pundamental ng Physics", ed. Agham 1995

Zhibrov A.E., Mikhailov V.K., Galtsev V.V., "Mga elemento ng quantum mechanics at atomic physics", MISI im. V.V Kuibysheva, 1984

Shpolsky I.V., "Atomic Physics", ed. Agham, 1974

Gursky I.P., "Elementary physics", Na-edit ni Savelyev I.V., 1984.

"Elementaryong aklat ng pisika", Ed. Landsberg G.S., 1986

Kabardin O.F., "Physics", ed. Edukasyon.

Savelyev I.V., "Kurso ng Pangkalahatang Physics", ed. Agham, 1988