Parçacık-dalga dualizmi deneyi. Dalga-parçacık ikiliği

Dalga-parçacık ikiliği– herhangi bir mikropartikülün, bir partikül (parçacık) ve bir dalganın işaretlerini tespit etme özelliği. Dalga-parçacık ikiliği en açık biçimde temel parçacıklarda kendini gösterir. Bir elektron, bir nötron, bir foton, bazı koşullar altında, uzayda iyi lokalize edilmiş maddi nesneler (parçacıklar) gibi davranır, belirli enerjiler ve dürtülerle klasik yörüngeler boyunca hareket eder ve diğerlerinde, yeteneklerinde kendini gösteren dalgalar gibi davranır. girişim ve kırınım. Böylece, serbest elektronlara saçılan bir elektromanyetik dalga, elektromanyetik alanın kuantumu olan fotonlar gibi bireysel parçacıklardan oluşan bir akış gibi davranır (Compton etkisi) ve fotonun momentumu p = h/λ formülüyle verilir, burada λ elektromanyetik dalganın uzunluğu ve h Planck sabitidir. Bu formül başlı başına düalizmin kanıtıdır. İçinde, solda tek bir parçacığın (fotonun) momentumu, sağda ise fotonun dalga boyu vardır. Parçacık olarak düşünmeye alışkın olduğumuz elektronların dualitesi, tek bir kristalin yüzeyinden yansıdığında elektronların dalga özelliklerinin bir tezahürü olan bir kırınım modelinin gözlemlenmesiyle ortaya çıkar. Bir elektronun parçacık ve dalga özellikleri arasındaki niceliksel ilişki, bir fotonla aynıdır: р = h/λ (р, elektronun momentumudur ve λ, onun de Broglie dalga boyudur). Dalga-parçacık ikiliği kuantum fiziğinin temelidir.

Dalga (kürk), her zaman uzayda belirli bir hacmi kaplayan maddi ortamla ilişkili bir süreçtir.

64. De Broglie el sallıyor. Mikropartiküllerin elektron kırınımı dalga özellikleri.

Mikropartiküllerin hareketinin dalga doğası hakkındaki hipotezde alınan maddenin parçacık dalga özellikleri hakkında fikirlerin geliştirilmesi. Louis de Broglie, madde ve ışık parçacıklarının doğadaki simetrisi fikrinden hareketle, herhangi bir mikropartiküle belirli bir iç periyodik süreç atfetmiştir (1924). E = hν ve E = mc 2 formüllerini birleştirerek her parçacığın kendine ait olduğunu gösteren bir ilişki elde etti. dalga boyu : λ B = h/mv = h/p, burada p dalga parçacığının momentumudur. Örneğin, 10 eV enerjiye sahip bir elektron için de Broglie dalga boyu 0,388 nm'dir. Daha sonra kuantum mekaniğinde bir mikroparçacığın durumunun belirli bir kompleksle tanımlanabileceği gösterildi. dalga fonksiyonu koordinatları Ψ(q) ve bu fonksiyonun kare modülü |Ψ| 2 Koordinat değerlerinin olasılık dağılımını tanımlar. Bu fonksiyon kuantum mekaniğine ilk kez 1926'da Schrödinger tarafından dahil edilmiştir. Dolayısıyla de Broglie dalgası enerji taşımaz, yalnızca uzaydaki bazı olasılıksal periyodik süreçlerin "faz dağılımını" yansıtır. Sonuç olarak, mikro dünya nesnelerinin durumunun açıklaması olasılıksal doğa klasik mekaniğin yasalarıyla tanımlanan makro dünyanın nesnelerinin aksine.

De Broglie'nin mikropartiküllerin dalga doğası hakkındaki fikrini kanıtlamak için Alman fizikçi Elsasser, elektron kırınımını gözlemlemek için kristallerin kullanılmasını önerdi (1925). ABD'de K. Davisson ve L. Germer, bir elektron ışınının bir nikel kristali plakasından geçtiğinde kırınım olgusunu keşfettiler (1927). Bunlardan bağımsız olarak, metal folyodan geçen elektronların kırınımı, İngiltere'de J.P. Thomson ve P.S. SSCB'de Tartakovski. Böylece de Broglie'nin maddenin dalga özelliklerine ilişkin fikri deneysel olarak doğrulandı. Daha sonra atomik ve moleküler ışınlarda kırınım ve dolayısıyla dalga özellikleri keşfedildi. Sadece fotonlar ve elektronlar değil, tüm mikropartiküller de parçacık-dalga özelliğine sahiptir.

Mikropartiküllerin dalga özelliklerinin keşfi, klasik fizik açısından niteliksel olarak farklı kabul edilen alan (sürekli) ve madde (ayrık) gibi madde formlarının belirli koşullar altında her iki formun doğasında bulunan özellikleri sergileyebileceğini gösterdi. Bu, bu madde biçimlerinin birliğinden söz eder. Özelliklerinin tam bir açıklaması yalnızca karşıt ancak tamamlayıcı fikirler temelinde mümkündür.

Geçtiğimiz yüzyıl boyunca bilim, dünyamızın yapısını hem mikroskobik hem de makroskobik düzeyde inceleme konusunda büyük ilerlemeler kaydetti. Özel ve genel görelilik teorileri ile kuantum mekaniğinin bizlere getirdiği şaşırtıcı keşifler hâlâ kamuoyunun kafasını karıştırıyor. Ancak eğitimli herhangi bir kişinin en azından modern bilimsel başarıların temellerini anlaması gerekir. En etkileyici ve önemli noktalardan biri dalga-parçacık ikiliğidir. Bu, anlaşılması sezgisel gündelik algının ötesinde olan paradoksal bir keşiftir.

Parçacıklar ve dalgalar

Dualizm ilk olarak koşullara bağlı olarak tamamen farklı davranan ışığın incelenmesi sırasında keşfedildi. Bir yandan ışığın optik bir elektromanyetik dalga olduğu ortaya çıktı. Öte yandan ayrı bir parçacık (ışığın kimyasal etkisi) vardır. Başlangıçta bilim adamları bu iki fikrin birbirini dışladığına inanıyorlardı. Ancak çok sayıda deney durumun böyle olmadığını gösterdi. Yavaş yavaş dalga-parçacık ikiliği gibi bir kavramın gerçekliği olağan hale geldi. Bu kavram, ne dalga ne de parçacık olan, ancak belirli koşullara bağlı olarak yalnızca ikincisinin veya birincisinin özelliklerini kazanan karmaşık kuantum nesnelerinin davranışını incelemek için temel sağlar.

Çift yarık deneyi

Foton kırınımı dualizmin açık bir göstergesidir. Yüklü parçacıkların dedektörü bir fotoğraf plakası veya bir floresan ekrandır. Her bir foton aydınlatma veya spot flaşla işaretlendi. Bu tür işaretlerin kombinasyonu, dalga kırınımının bir özelliği olan, zayıf ve güçlü bir şekilde aydınlatılmış şeritlerin dönüşümlü olarak bir girişim deseni verdi. Bu, dalga-parçacık ikiliği gibi bir kavramla açıklanmaktadır. Ünlü fizikçi ve Nobel ödüllü Richard Feynman, maddenin küçük ölçeklerde öyle davrandığını ve kuantum davranışının "doğallığını" hissetmenin imkansız olduğunu söyledi.

Evrensel dualizm

Ancak bu deneyim sadece fotonlar için geçerli değildir. Düalizmin tüm maddelerin bir özelliği olduğu ve evrensel olduğu ortaya çıktı. Heisenberg, maddenin dönüşümlü olarak her iki biçimde de var olduğunu savundu. Bugün her iki özelliğin tamamen aynı anda ortaya çıktığı kesinlikle kanıtlanmıştır.

Korpüsküler dalga

Maddenin bu davranışını nasıl açıklayabiliriz? Taneciklerin (parçacıkların) doğasında bulunan dalgaya, bu soruna bir çözüm öneren genç aristokrat bilim adamının adını taşıyan de Broglie dalgası denir. De Broglie denklemlerinin, karesi alındığında yalnızca bir parçacığın farklı zamanlarda uzayın farklı noktalarında bulunma olasılığını belirleyen bir dalga fonksiyonunu tanımladığı genel olarak kabul edilir. Basitçe söylemek gerekirse, de Broglie dalgası bir olasılıktır. Böylece matematiksel kavram (olasılık) ile gerçek süreç arasında eşitlik sağlandı.

Kuantum alanı

Maddenin tanecikleri nelerdir? Genel olarak bunlar dalga alanlarının kuantumlarıdır. Bir foton, bir elektromanyetik alanın kuantumudur, bir pozitron ve bir elektron, bir elektron-pozitron alanıdır, bir mezon, bir mezon alanının kuantumudur vb. Dalga alanları arasındaki etkileşim, aralarında belirli ara parçacıkların değişimiyle açıklanır, örneğin elektromanyetik etkileşim sırasında foton alışverişi olur. Bundan doğrudan de Broglie tarafından açıklanan dalga süreçlerinin kesinlikle gerçek fiziksel olaylar olduğunun başka bir doğrulaması gelir. Ve parçacık-dalga düalizmi, parçacıkların "reenkarne olma" yeteneğini karakterize eden "gizemli bir gizli özellik" olarak hareket etmez. Birbiriyle ilişkili iki eylemi açıkça göstermektedir - bir nesnenin hareketi ve onunla ilişkili dalga süreci.

Tünel etkisi

Işığın dalga-parçacık ikiliği diğer birçok ilginç olayla ilişkilidir. De Broglie dalgasının hareket yönü, tünel etkisi adı verilen olay sırasında, yani fotonlar enerji bariyerini aştığında ortaya çıkar. Bu olaya parçacık momentumunun dalga antinodu anında ortalama değeri aşması neden olur. Tünel açma birçok elektronik cihazın geliştirilmesini mümkün kılmıştır.

Işık kuantumunun girişimi

Modern bilim, fotonların girişiminden, elektronların girişimiyle aynı gizemli şekilde bahsediyor. Bölünemez bir parçacık olan fotonun, aynı anda kendisine açık olan herhangi bir yoldan geçebildiği ve kendisine müdahale edebildiği ortaya çıktı. Maddenin ve fotonun özelliklerinin dalga-parçacık ikiliğinin birçok yapısal unsuru kapsayan bir dalga olduğunu hesaba katarsak, bölünebilirliği göz ardı edilmez. Bu, parçacığın temel bölünmez bir oluşum olduğu yönündeki önceki görüşlerle çelişiyor. Belirli bir hareket kütlesine sahip olan foton, bu hareketle ilişkili, parçacığın kendisinden önce gelen uzunlamasına bir dalga oluşturur, çünkü uzunlamasına dalganın hızı enine elektromanyetik dalganın hızından daha yüksektir. Bu nedenle, bir fotonun kendi kendine girişiminin iki açıklaması vardır: parçacık, birbirine girişim yapan iki bileşene bölünmüştür; Foton dalgası iki yol boyunca ilerler ve bir girişim deseni oluşturur. Tek yüklü parçacıklar-fotonlar sırayla interferometreden geçirildiğinde de bir girişim modelinin yaratıldığı deneysel olarak keşfedildi. Bu, her bir fotonun kendine müdahale ettiği tezini doğruluyor. Bu, özellikle ışığın (ne tutarlı ne de tek renkli) birbirine bağlı ve rastgele süreçlerde atomlar tarafından yayılan bir foton koleksiyonu olduğu gerçeği dikkate alındığında açıkça görülmektedir.

Işık nedir?

Işık dalgası, uzay boyunca dağılan, lokalize olmayan bir elektromanyetik alandır. Bir dalganın elektromanyetik alanı, genliğin karesiyle orantılı hacimsel bir enerji yoğunluğuna sahiptir. Bu, enerji yoğunluğunun herhangi bir miktarda değişebileceği, yani sürekli olduğu anlamına gelir. Bir yandan ışık, parçacık-dalga ikiliği gibi bir olgunun evrenselliği sayesinde bir elektromanyetik dalganın özelliklerini temsil eden bir kuantum ve foton (parçacık) akışıdır. Örneğin girişim, kırınım ve ölçek olaylarında ışık, açıkça bir dalganın özelliklerini gösterir. Örneğin yukarıda anlatıldığı gibi çift yarıktan geçen tek bir foton girişim deseni oluşturur. Deneylerin yardımıyla tek bir fotonun elektromanyetik darbe olmadığı kanıtlandı. Fransız fizikçiler Aspe, Roger ve Grangier'in gösterdiği gibi ışın ayırıcılarla ışınlara bölünemez.

Işık aynı zamanda Compton etkisi ve fotoelektrik etkide kendini gösteren taneciksel özelliklere de sahiptir. Bir foton, boyutları dalga boyundan çok daha küçük olan nesneler (örneğin atom çekirdeği) tarafından tamamen emilen bir parçacık gibi davranabilir. Bazı durumlarda fotonlar genellikle nokta nesneler olarak kabul edilebilir. Işığın özelliklerini hangi konumda ele aldığımızın hiçbir önemi yoktur. Renkli görme alanında, bir ışık akışı hem dalga hem de enerji kuantumu olarak parçacık-foton gibi davranabilir. Koni zarı gibi retinal bir fotoreseptöre odaklanan bir nokta, gözün ana spektral ışık ışınları olarak kendi filtrelenmiş değerini oluşturmasına ve bunları dalga boylarına ayırmasına izin verebilir. Kuantum enerji değerlerine göre beyinde nesne noktası bir renk hissine (odaklanmış optik görüntü) dönüştürülecektir.

Çift dalga parçacık davranışı sergileyen nesnelerin tipik örnekleri elektronlar ve ışıktır; Bu prensip daha büyük nesneler için de geçerlidir, ancak kural olarak nesne ne kadar büyük olursa, dalga özellikleri o kadar az ortaya çıkar (burada birçok parçacığın, örneğin yüzeydeki dalgaların kolektif dalga davranışından bahsetmiyoruz) bir sıvının).

Dalga-parçacık ikiliği fikri, kuantum mekaniğinin geliştirilmesinde, mikro dünyada gözlemlenen olayları klasik kavramlar açısından yorumlamak için kullanıldı. Gerçekte kuantum nesneleri ne klasik dalgalar ne de klasik parçacıklardır; yalnızca üzerlerinde yapılan deneylerin koşullarına bağlı olarak birincisinin veya sonrakinin özelliklerini sergilerler. Dalga-parçacık ikiliği klasik fizik çerçevesinde açıklanamaz ve ancak kuantum mekaniğinde yorumlanabilir.

Dalga-parçacık ikiliği kavramının daha da geliştirilmesi, kuantum alan teorisindeki kuantize alanlar kavramıydı.

De Broglie dalgaları

Dalga-parçacık ikiliği ilkesi, de Broglie dalgaları fikrinde niceliksel bir ifade alır. Eş zamanlı olarak dalga ve parçacık özellikleri sergileyen herhangi bir nesne için momentum arasında bir bağlantı vardır. p (\displaystyle \mathbf (p)) ve enerji E (\displaystyle E), bu nesnenin bir parçacık olarak doğasında var ve onun dalga parametreleri - dalga vektörü k (\displaystyle \mathbf (k)), dalga boyu λ (\displaystyle \lambda), sıklık ν (\displaystyle \nu ), döngüsel frekans ω (\displaystyle \omega). Bu bağlantı ilişkiler tarafından verilir:

Nerede ℏ (\displaystyle \hbar ) Ve h = 2 π ℏ (\displaystyle h=2\pi \hbar )- sırasıyla azaltılmış ve sıradan Planck sabiti. Bu formüller göreli enerji ve momentum için doğrudur.

De Broglie dalgası, mikro dünyanın herhangi bir hareketli nesnesine karşılık gelir; Böylece de Broglie dalgaları formunda hem hafif hem de büyük parçacıklar girişime ve kırınıma maruz kalır. Aynı zamanda parçacığın kütlesi ne kadar büyük olursa, aynı hızdaki de Broglie dalga boyu da o kadar kısa olur ve dalga özelliklerini kaydetmek o kadar zor olur. Kabaca söylemek gerekirse, bir nesne, çevresi ile etkileşime girdiğinde, de Broglie dalgasının uzunluğu, çevresinde mevcut karakteristik boyutlardan çok daha küçükse parçacık gibi, çok daha uzunsa bir dalga gibi davranır; ara durum ancak tam teşekküllü bir kuantum teorisi çerçevesinde açıklanabilir.

De Broglie dalgasının fiziksel anlamı şu şekildedir: Uzayda belirli bir noktadaki dalganın genliğinin karesi, konumu ölçülürse belirli bir noktada bir parçacığın tespit edilmesinin olasılık yoğunluğuna eşittir. Aynı zamanda, ölçüm yapılana kadar parçacık aslında belirli bir yerde bulunmaz, bir de Broglie dalgası şeklinde uzay boyunca "yayılır".

Gelişim tarihi

Işığın ve maddenin doğası hakkındaki soruların uzun bir geçmişi vardır, ancak belli bir zamana kadar bunlara verilecek yanıtların kesin olması gerektiğine inanılıyordu: ışık ya bir parçacık akışı ya da bir dalgadır; Madde ya klasik mekaniğe uyan bireysel parçacıklardan oluşur ya da sürekli bir ortamdır.

Planck, 1901'de tamamen siyah bir cismin radyasyon spektrumu için bir formül elde ettiğinde ve ardından Einstein, ışığın belirli bir dalga boyuna sahip olduğu varsayımına dayanarak fotoelektrik etkiyi açıkladığında, ışığın görünürde yerleşik dalga tanımının eksik olduğu ortaya çıktı. yalnızca belirli kısımlarda yayılır ve emilir. Böyle bir kısım - daha sonra foton olarak adlandırılan bir ışık kuantumu - enerjiyi ışık dalgasının frekansıyla orantılı bir katsayı ile aktarır h (\displaystyle h)- Planck sabiti. Böylece ışığın yalnızca dalga değil aynı zamanda parçacık özellikleri de sergilediği ortaya çıktı.

Dalga-parçacık ikiliği ilkesi, Schrödinger'in "dalga mekaniği"nde daha spesifik ve doğru bir düzenlemeye kavuştu ve bu daha sonra modern kuantum mekaniğine dönüştü.

Işığın dalga-parçacık ikiliği

Dalga-parçacık ikiliği ilkesinin uygulanmasının klasik bir örneği olarak ışık, birçok fiziksel etkide klasik elektromanyetik dalgaların özelliklerini sergileyen parçacıklardan (fotonlardan) oluşan bir akış olarak yorumlanabilir. Işık, kırınım ve girişim olgularında, ışığın dalga boyuyla karşılaştırılabilecek ölçeklerde dalga özellikleri sergiler. Örneğin, hatta BekarÇift yarıktan geçen fotonlar ekranda Maxwell denklemleriyle belirlenen bir girişim deseni oluşturur.

Ancak deney, fotonun kısa bir elektromanyetik radyasyon darbesi olmadığını gösteriyor; örneğin, Fransız fizikçiler Grangier, Roger ve Aspe tarafından 1986'da yürütülen bir deneyde açıkça gösterildiği gibi, optik ışın ayırıcılar tarafından birkaç ışına bölünemez. . Işığın parçacık özellikleri, denge termal radyasyon modellerinde, fotoelektrik etkide ve Compton etkisinde kendini gösterir. Bir foton aynı zamanda, boyutları kendi dalga boyundan çok daha küçük olan (örneğin atom çekirdeği) veya genel olarak nokta benzeri (örneğin bir elektron) kabul edilebilecek nesneler tarafından tamamen yayılan veya soğurulan bir parçacık gibi davranır.

Elektromanyetik radyasyonun dalga boyu ne kadar kısa olursa, fotonların enerjisi ve momentumu o kadar büyük olur ve bu radyasyonun dalga özelliklerinin tespit edilmesi o kadar zor olur. Örneğin, X-ışını radyasyonu yalnızca çok "ince" bir kırınım ızgarasında - bir katının kristal kafesinde kırılır.

Büyük nesnelerin dalga davranışı

Dalga davranışı yalnızca temel parçacıklar ve nükleonlar tarafından değil, aynı zamanda daha büyük nesneler - moleküller tarafından da sergilenir. 1999 yılında fullerenlerin kırınımı ilk kez gözlendi. 2013 yılında 10.000 amu'dan daha ağır olan moleküllerin kırınımı sağlandı. Her biri 800'den fazla atomdan oluşan.

Ancak kütlesi Planck kütlesinden daha büyük olan nesnelerin prensipte dalga davranışı sergileyip sergileyemeyeceği tam olarak kesin değildir.

Ayrıca bakınız

Notlar

1. "Camcık" kelimesi "parçacık" anlamına gelir ve pratikte dalga-parçacık ikiliği bağlamı dışında kullanılmaz.
2. Gershtein S.S. Dalga-parçacık ikiliği// Fiziksel ansiklopedi: [5 ciltte] / Ch. ed. A. M. Prokhorov. - M.: Sovyet Ansiklopedisi, 1990. - T. 2: Kalite faktörü - Manyeto-optik. - s. 464-465. - 704 s. - 100.000 kopya. -

Fizikte “dualizm” terimi geniş anlamda şu anlama gelir:

1) fiziksel nesnelerde zıt özelliklerin varlığı;

2) fiziksel olayları tanımlarken ve açıklarken karşıt kavramların kullanılması;

3) fiziksel olayları yöneten yasaların formülasyonunda karşıt (birbirini dışlayan) ifadelerin varlığı.

Dualizmin en temel tezahürleri şunlardır:

1) temel parçacıkların özelliklerinde parçacık-dalga ikiliği;

2) doğada parçacıkların ve antiparçacıkların varlığı, zıt elektrik yükleri, lepton ve baryon sayılarının farklı işaretleri (bkz. Bölüm IV, § 23), vb.;

3) madde parçacıklarının ve kuvvet alanlarının, yani "parçacık" ve "alan" maddesinin zıt özellikleri;

4) “enerji” ve “iş” kavramlarının kullanımı;

5) eşzamanlı eylemi fiziksel sistemlerin özelliklerini belirleyen itici ve çekici kuvvetlerin fiziksel sistemlerinde varlığı;

6) fiziksel sistemlerin özelliklerindeki niceliksel ve niteliksel değişiklikler arasındaki bağlantı;

7) fizik yasalarında belirsizlik ve olasılık;

8) Doğadaki ayrıklık ve süreklilik, aralarındaki bağlantı vb.

Düalizmin özü (yani "karşıt özellikler", "kavramlar", "ifadeler" terimlerinin içeriği), temel parçacıkların (fotonlar, elektronlar vb.) parçacık ve dalga özelliklerinin bir kombinasyonunun örneğiyle gösterilebilir. . Metin (bkz. Bölüm IV, § 10-12) şunu gösterdi:

1) Parçacıkların parçacık ve dalga özellikleri birbirinden ayrılamaz. Her parçacık bu özelliklerin her ikisine de birlik içinde sahiptir ve

karşılıklı koşulluluktur ve bir parçacığı bu özelliklerden birinden mahrum bırakmanın hiçbir yolu yoktur. Görünen o ki, yalnızca parçacık ya da yalnızca dalga özelliklerine sahip parçacıklar yok;

2) parçacık ve dalga özellikleri birbirine indirgenemez. Bu, bir parçacığın dalga özelliklerinin tanecikli özellikler aracılığıyla açıklanamayacağı anlamına gelir;

3) parçacık ve dalga özellikleri ayrılmaz bir şekilde bağlantılıdır.

Dalga-parçacık ikiliği, mikrofiziksel sistemleri ve süreçleri tanımlayan kuantum fiziğinin temelini oluşturur. Dolayısıyla modern fiziğin en önemli dallarından biri doğası ve içeriği bakımından dualistiktir. Bir yanda parçacıkların ve fiziksel sistemlerin sürekli dalga fonksiyonu, diğer yanda aynı parçacıkların ve sistemlerin parçacık özellikleri, kuantum fiziğinde birlik ve karşılıklı bağlantı içinde mevcuttur. Bu ikiliği ortadan kaldırmaya yönelik tüm girişimler başarısız oldu. Dolayısıyla kuantum teorisindeki düalizmin, örneğin mikrofiziksel sistemleri tanımlamadaki zorluklardan kaynaklanan geçici, rastgele, yan bir olgu değil, doğadaki hakim nesnel düalizmin bir yansıması olduğu ileri sürülebilir.

Doğadaki dualizmin başka bir tezahürünü ele alalım: parçacıkların ve antiparçacıkların varlığı. Öncelikle parçacıkların fiziksel özelliklerinin iki gruba ayrılabileceğini belirtelim:

1) farklı parçacıklar arasında yalnızca boyut bakımından farklılık gösteren özellikler; Bunlardan en önemlisi inert kütledir. Kütlenin toplamsal bir özellik olmadığını unutmayın (bir fiziksel sistemin kütlesi, serbest durumda ölçülen bileşen parçacıklarının kütlelerinin toplamından daha azdır), parçacığın durumuna (hareket hızı) ve koşullara bağlıdır. parçacığın bulunduğu yer (nükleon kuvvetleri alanındaki nükleonların kütlesi, çekirdeğin dışındaki kütlelerinden farklıdır);

2) niteliksel olarak farklılık gösteren özellikler, örneğin zıt elektrik yükleri. Yüklerin toplanabilir olduğunu ve hareket hızına ve yüklü parçacıkların bulunduğu koşullara bağlı olmadığını unutmayın. Bu, yüklerin (aynı zamanda leptonik ve baryon sayılarının) parçacıkların eylemsizlik kütlesinden daha temel özellikleri olduğu anlamına gelir.

Temel parçacıklar, kendilerine özgü bir dizi temel özelliğe göre sınıflandırılabilir. Bu özelliklerin niteliğine ve sayısına bağlı olarak “aynı” veya “farklı” parçacıklar gibi kavramların içeriği belirlenir. Nesneler arasında hiçbir fark olmadığında, parçacıkların (veya genel olarak fiziksel nesnelerin) kimliğinin, aynılığın sınırlayıcı durumu olduğu açıktır: ne onlara özgü özellikler kümesinde, ne de onların yapısı, durumu ve davranışında. farklı koşullar (bu tür özdeş nesneler, aynı koşullarda olan belirli bir türdeki temel parçacıklardır). Fiziksel nesnelerin karşıtlığı, bu farklılığın tam olduğu, yani nesnelerin hiçbir özdeş özelliğe sahip olmadığı aşırı bir farklılık durumu olarak değerlendirilmelidir.

Parçacıkların ve antiparçacıkların bu anlamda karşıt olmadıklarına dikkat edin, çünkü farklı olmalarının yanı sıra aynı özelliklere de sahiptirler (örneğin, bir elektron ve bir pozitronun farklı yükleri vardır, ancak aynı dönüş ve durgun kütleye sahiptirler). Dolayısıyla parçacıklar ve antipartiküller kutupsaldır ancak karşıt nesneler değildir.

Yukarıdakilerle bağlantılı olarak aşağıdaki sorular ortaya çıkıyor:

1) doğada “karşıt nesneler” var mı;

2) aralarında etkileşim mümkün mü, bu etkileşimin özellikleri nelerdir ve doğadaki önemi;

3) Aynı, kutupsal ve zıt nesneler arasındaki etkileşimler nasıl farklılık gösterir?

Bu konuların tartışılmasının ideolojik önemi büyüktür; Bu tartışmanın olumlu sonuçları çevremizdeki doğanın nasıl çalıştığına dair fikirlerimizi netleştirmemizi mümkün kılacaktır. Böyle bir tartışmanın belirli bir felsefi sistem temelinde yürütülmesi gerekir ve fiziğin tüm dallarını etkileyecektir. Özellikle doğadaki zıt nesnelerin “madde” ve “alanlar” olduğuna inanabiliriz. “Madde” genellikle temel parçacıkları ve bunlardan oluşan sistemleri ifade eder: atom çekirdeği, atomlar, moleküller vb.; “Alan” çeşitli kuvvet alanlarını ifade eder: yerçekimi, elektromanyetik, nükleer vb. Alanlar hakkında iki fikir vardır. Bunlardan biri, alanların sürekli olarak madde parçacıklarının etrafındaki boşluğu doldurduğunu ve onlarla "özel bir şekilde" bağlantılı olarak aralarındaki etkileşimin doğasını ve yoğunluğunu belirlediğini varsayar. Başka bir görüş, her alanın, madde parçacıkları tarafından yayılan ve soğurulan ve dolayısıyla aralarında etkileşim kuvvetleri oluşturan "özel alan parçacıkları"ndan oluştuğunu ileri sürer. Örneğin, elektromanyetik alanın fotonlardan ("fotonik gaz") oluştuğu kabul edilir; birim hacim başına sayıları çok büyükse, elektromanyetik alan sürekli bir ortam gibi davranacaktır; bu sayı küçükse ve bireysel fotonların katıldığı süreçler incelenirse, sürekli bir ortam olarak elektromanyetik alan kavramı anlamını yitirir.

Burada madde ve alanlarla ilgili mevcut fikirlerin nihai kabul edilmemesi gerektiğini vurgulamak gerekir. Deneysel ve teorik fiziğin gelişimi, yalnızca açıklığa kavuşturmakla kalmaz, aynı zamanda doğa ve içinde meydana gelen olayların özü hakkındaki fikirlerimizde de radikal değişikliklere yol açabilir. Gelecekte doğanın aşağıdakilerden oluştuğunu söyleyen monist dünya görüşlerinin zafer kazanması mümkündür: 1) ya yalnızca madde parçacıkları ve alan yalnızca bunlar arasındaki etkileşimi tanımlamanın bir yoludur; 2) ya sadece farklı alanlardan ve madde parçacıkları sadece onların “özel noktalarıdır”. Bununla birlikte, bilinen tüm deneysel verilerin, maddenin ve alanların zıt nesneler olarak kabul edildiği, birbirinden indirgenemez ve birbirinden ayrılamaz, ayrılmaz etkileşimin temeli olduğu dualistik bir dünya görüşü temelinde tatmin edici bir açıklama alması mümkündür. Gözlemlediğimiz tüm doğal olayların

Düalizm aynı zamanda fiziksel fenomenlerin olasılığa dayalı ve kesin bir tanımının eşzamanlı varoluşunda da ortaya çıkar. Klasik, kesinlikle determinist tanımlama fizikten dışlanamaz; Fiziksel olayların en olası seyrini tanımlamak gerekir. Öte yandan, incelenen nesnelerin durumlarında (ve bu durumları tanımlayan fiziksel niceliklerde) her zaman bir dağılım vardır ve bu dağılım doğası gereği olasılıksaldır. Şu anda, doğadaki olasılıksal süreçlerin nesnel varlığının teorik ve deneysel olarak kanıtlanmış olduğu düşünülmektedir; kuantum fiziğinde (bkz. Bölüm IV, § 10, 11), temel parçacıkların ve mikrosistemlerin davranışındaki benzersizlik genellikle reddedilir. Bu, doğadaki benzersizliğin (determinizm) tamamen reddedilmesi anlamına gelmez, yalnızca eylem kapsamının sınırlandırılması anlamına gelir. Kesinlik ve olasılık dualistik kavramlardır; bunlar birbirinden ayrılamaz (belirsiz kanunlarda yer alan en olası değerler etrafında olasılıksal dağılım vardır), indirgenemez (kendini fiziksel fenomeni tanımlamanın yalnızca bir yolu ile sınırlamak imkansızdır) ve bunların karşılıklı bağlantısı neredeyse tüm bilim dallarında görülebilir. fizik.

Temel parçacıklardaki düalizm, bu parçacıklardan oluşan fiziksel sistemlerin özelliklerinin oluşmasında esastır. Bilinen mikrofiziksel sistemler göz önüne alındığında, bunların sonuçta çeşitli parçacıklardan oluştuğu fark edilebilir. Aynı parçacıklar ya etkileşime girmezler ya da birbirlerini iterler ve niteliksel olarak yeni özelliklere sahip fiziksel bir sistem oluşturmazlar. Örneğin protonlar, nötronlar ve elektronlar tek tek fiziksel sistemler oluşturmazlar, ancak bir araya geldiklerinde çeşitli maddelerin çekirdeklerini ve atomlarını oluştururlar. Aynı temel parçacıklardan oluşan bir koleksiyonda, bunların özelliklerinin her zaman basit (toplamsal) bir toplamının olduğu ileri sürülebilir. Yalnızca zıt özelliklere sahip parçacıkların etkileşimi sırasında, fiziksel sistemlerin yeni özellikler kazanması nedeniyle bu özelliklerin özel (niteliksel) bir sentezi meydana gelir. Dolayısıyla niteliksel olarak yeni özelliklerin ortaya çıkmasının ancak temelde farklı parçacıkların etkileşimi yoluyla mümkün olduğu ileri sürülebilir.

Doğanın nesnel ikiliği en önemli fiziksel kavramlara yansır. Tipik bir örnek, ayrıklık ve süreklilik kavramlarıdır. Birbirlerine indirgenemezler; aksi halde bu kavramlardan yalnızca birinin kullanılmasıyla sınırlı kalınabilir. Fizik tarihinde, olayların tanımından ayrıklığı veya sürekliliği dışlamaya yönelik girişimler bilinmektedir, ancak bunlar başarılı olmamıştır. Birbirlerinden ayrılamazlar ve tüm fiziksel olaylarda ayrılmaz bir şekilde birbirine bağlıdırlar, çünkü zorunlu olarak parçacıkları ve alanları içerirler, temel özellikleriyle ayrıklık ve süreklilik unsurları sunarlar.

Sonuç olarak, bir bilim olarak fiziğin kendisinin, birbirinden ayrılamaz ve birbirine bağlı, birbirine indirgenemeyen ve etkileşime giren, fiziksel gelişimin yönünü ve gidişatını belirleyen teorik ve deneysel olmak üzere iki zıt parçanın etkileşimi temelinde geliştiğini not ediyoruz. bilimler.

giriiş

Neredeyse aynı anda iki ışık teorisi öne sürüldü: Newton'un parçacık teorisi ve Huygens'in dalga teorisi.

Newton'un 17. yüzyılın sonlarında ortaya attığı parçacık teorisine veya dışarı akış teorisine göre, ışıklı cisimler her yöne doğru uçan küçük parçacıklar (parçacıklar) yayar ve bunlar göze girdiğinde ışık hissine neden olur. .

Dalga teorisine göre, ışıklı bir cisim, tüm kozmik alanı dolduran özel bir ortamda (dünya eterinde) elastik titreşimlere neden olur ve bu titreşimler, havadaki ses dalgaları gibi eterde yayılır.

Newton ve Huygens'in zamanında çoğu bilim adamı, o zamanlar bilinen tüm ışık olaylarını oldukça tatmin edici bir şekilde açıklayan Newton'un parçacık teorisine bağlıydı. Işığın yansıması, elastik cisimlerin bir düzlemle çarpışması sonucu yansımasına benzer şekilde açıklandı. Işığın kırılması, daha yoğun bir ortamdan parçacıklar üzerindeki büyük çekici kuvvetlerin etkisiyle açıklandı. Newton'un teorisine göre kendini gösteren bu kuvvetlerin etkisi altında, daha yoğun bir ortama yaklaşıldığında ışık tanecikleri, bu ortamın sınırına dik olarak yönlendirilmiş bir ivme almış ve bunun sonucunda hareket yönünü değiştirmişlerdir. aynı zamanda hızlarını da artırdılar. Diğer ışık olayları da benzer şekilde açıklandı.

Daha sonra ortaya çıkan yeni gözlemler bu teorinin çerçevesine uymuyordu. Özellikle ışığın suda yayılma hızı ölçüldüğünde bu teorinin tutarsızlığı keşfedildi. Havadakinden daha fazla değil, daha az olduğu ortaya çıktı.

19. yüzyılın başında Huygens'in çağdaşları tarafından tanınmayan dalga teorisi, Young ve Fresnel tarafından geliştirilip geliştirildi ve evrensel kabul gördü. Geçen yüzyılın 60'lı yıllarında Maxwell elektromanyetik alan teorisini geliştirdikten sonra ışığın elektromanyetik dalgalar olduğu ortaya çıktı. Böylece ışığın dalga mekaniği teorisinin yerini dalga elektromanyetik teorisi aldı. Işık dalgaları (görünür spektrum) elektromanyetik dalga ölçeğinde 0,4-0,7 µm aralığını kaplar. Radyasyonu sürekli bir süreç olarak ele alan Maxwell'in ışığın dalga teorisi, yeni keşfedilen bazı optik olayları açıklayamadı. Bir ışık dalgasının enerjisinin sürekli olarak değil, yalnızca ışık dalgasının uzunluğuna bağlı olan belirli kısımlarda (ışık kuantumu veya fotonlar) yayıldığı, dağıtıldığı ve emildiği kuantum ışık teorisi ile desteklenmiştir. Dolayısıyla modern kavramlara göre ışık hem dalga hem de parçacık özelliklerine sahiptir.

Işık girişimi

Zamanla değişmeyen faz farkıyla uzayın her noktasında salınımlar yaratan dalgalara tutarlı denir. Bu durumda faz farkı sabittir, ancak genel olarak konuşursak, uzaydaki farklı noktalar için farklı bir değere sahiptir. Yalnızca aynı frekanstaki dalgaların tutarlı olabileceği açıktır.

Birkaç uyumlu dalga uzayda yayıldığında, bu dalgaların ürettiği salınımlar bazı noktalarda birbirini güçlendirirken bazı noktalarda zayıflatır. Bu olaya dalga girişimi denir. Herhangi bir fiziksel nitelikteki dalgalar müdahale edebilir. Işık dalgalarının girişimine bakacağız.

Tutarlı dalgaların kaynaklarına da tutarlı denir. Belirli bir yüzey birden fazla tutarlı ışık kaynağıyla aydınlatıldığında, genellikle bu yüzey üzerinde alternatif açık ve koyu şeritler görünür.

İki bağımsız ışık kaynağı, örneğin iki elektrik lambası tutarlı değildir. Yaydıkları ışık dalgaları, tek tek atomlar tarafından yayılan çok sayıda dalganın eklenmesinin sonucudur. Dalgaların atomlar tarafından yayılması rastgele meydana gelir ve bu nedenle iki kaynaktan yayılan dalgaların fazları arasında sabit bir ilişki yoktur.

Yüzey tutarsız kaynaklarla aydınlatıldığında, girişimin karakteristik özelliği olan alternatif açık ve koyu şeritlerin deseni görünmez. Her noktadaki aydınlatma, her bir kaynağın ayrı ayrı yarattığı aydınlatmanın toplamına eşit olur.

Tutarlı dalgalar, bir kaynaktan gelen bir ışık ışınının iki veya daha fazla ayrı ışına bölünmesiyle üretilir.

Değişken kalınlıktaki şeffaf bir plaka, özellikle kama şeklindeki bir plaka, monokromatik (tek renkli) ışınlarla aydınlatıldığında ışık girişimi gözlemlenebilir. Gözlemcinin gözü plakanın hem ön hem de arka yüzeyinden yansıyan dalgaları alacaktır. Girişimin sonucu, plakanın kalınlığına göre kademeli olarak değişen iki dalga arasındaki faz farkıyla belirlenir. Aydınlatma buna göre değişir: eğer plakanın yüzeyinin belirli bir noktasında girişim yapan dalgaların yolu arasındaki fark çift sayıda yarım dalgaya eşitse, o zaman bu noktada yüzey hafif görünecektir; faz farkı ise tek sayıda yarım dalga ise karanlık görünecektir.

Düzlem paralel bir plaka paralel bir ışınla aydınlatıldığında, ön ve arka yüzeylerinden yansıyan ışık dalgalarının faz farkı tüm noktalarda aynıdır; plaka eşit şekilde aydınlatılmış görünecektir.

Hafif dışbükey bir camın düz bir camla temas noktası çevresinde, tek renkli ışıkla aydınlatıldığında, Newton halkaları adı verilen koyu ve açık halkalar gözlenir. Burada, her iki cam arasındaki en ince hava tabakası, eşmerkezli daireler boyunca sabit bir kalınlığa sahip olan yansıtıcı bir film rolünü oynar.

Işığın kırınımı.

Bir ışık dalgası homojen bir ortamda yayılırken ön tarafın geometrik şeklini değiştirmez. Bununla birlikte, eğer ışık, örneğin opak ekranların, kırılma indisinde nispeten keskin bir değişime sahip uzay alanlarının, vb. bulunduğu homojen olmayan bir ortamda yayılırsa, o zaman dalga cephesinde bir bozulma gözlenir. Bu durumda uzayda ışık dalgasının yoğunluğunun yeniden dağılımı meydana gelir. Örneğin, gölgenin sınırında bir nokta ışık kaynağına sahip opak ekranları aydınlatırken, geometrik optik yasalarına göre gölgeden ışığa ani bir geçiş olması gereken yerde, bir dizi koyu ve açık şerit vardır. Işığın bir kısmı geometrik gölge bölgesine nüfuz eder. Bu olaylar ışığın kırınımıyla ilgilidir.

Yani dar anlamda ışığın kırınımı, ışığın opak cisimlerin konturu etrafında bükülmesi ve ışığın geometrik bir gölge bölgesine girmesi olgusudur; geniş anlamda, ışığın yayılmasında geometrik optik yasalarından herhangi bir sapma.

Sommerfeld'in tanımı: Işığın kırınımı, ışık ışınlarının sürekli değişen kırılma indisine sahip bir ortamda yansıması, kırılması veya bükülmesi sonucu açıklanamıyorsa, doğrusal yayılımdan herhangi bir sapma olarak anlaşılır.

Ortam çok küçük parçacıklar (sis) içeriyorsa veya kırılma indisi, dalga boyu düzeyindeki mesafelerde gözle görülür şekilde değişiyorsa, bu durumlarda ışık saçılımından bahsederiz ve "kırınım" terimi kullanılmaz.

İki tür ışık kırınımı vardır. Bir engelden sonlu uzaklıkta bulunan bir gözlem noktasındaki kırınım desenini inceleyerek Fresnel kırınımıyla ilgileniyoruz. Gözlem noktası ve ışık kaynağı engelden, engele gelen ışınlar ve gözlem noktasına giden ışınlar paralel ışınlar olarak kabul edilebilecek kadar uzakta bulunuyorsa, paralel ışınlarda kırınımdan - Fraunhofer kırınımından bahsederiz.

Kırınım teorisi, dalga yayılma yolunda herhangi bir engelin olduğu durumlarda dalga süreçlerini dikkate alır.

Kırınım teorisini kullanarak, akustik ekranlar kullanılarak gürültüden korunma, radyo dalgalarının Dünya yüzeyi üzerinde yayılması, optik aletlerin çalışması (mercek tarafından verilen görüntü her zaman bir kırınım deseni olduğundan), yüzey kalite ölçümleri gibi problemler, maddenin yapısının incelenmesi ve daha birçokları çözüldü.

Işığın polarizasyonu

Işığın dalga doğasını kanıtlamaya yarayan girişim ve kırınım olgusu henüz ışık dalgalarının doğasının tam bir resmini sunmuyor. Işığın kristallerden, özellikle de turmalinden geçmesi deneyimiyle yeni özellikler bize açıklanıyor.

Dikdörtgenin kenarlarından biri kristalin içinde optik eksen adı verilen belirli bir yöne denk gelecek şekilde kesilmiş iki özdeş dikdörtgen turmalin plakayı alalım. Eksenleri aynı yönde olacak şekilde bir plakayı diğerinin üzerine koyalım ve katlanmış plaka çiftinin içinden bir fenerden veya güneşten gelen dar bir ışık huzmesini geçirelim. Turmalin kahverengi-yeşil bir kristal olduğundan, iletilen ışının izi ekranda koyu yeşil bir benek olarak görünecektir. Plakalardan birini kirişin etrafında döndürmeye başlayalım, ikincisini hareketsiz bırakalım. Işının izinin zayıfladığını ve plaka 90 0 döndürüldüğünde tamamen kaybolduğunu göreceğiz. Plakanın daha fazla dönmesiyle, geçen ışın yeniden yoğunlaşmaya başlayacak ve plaka 180° döndüğünde önceki yoğunluğuna ulaşacaktır; plakaların optik eksenleri tekrar paralel olduğunda. Turmalinin daha fazla dönmesiyle ışın tekrar zayıflar.

Aşağıdaki sonuçların çıkarılması durumunda gözlemlenen tüm olaylar açıklanabilir.

1) Işındaki ışık titreşimleri, ışığın yayılma çizgisine dik olarak yönlendirilir (ışık dalgaları eninedir).

2) Turmalin, ışık titreşimlerini ancak kendi eksenine göre belirli bir şekilde yönlendirildiklerinde iletebilir.

3) Bir fenerin (güneş) ışığında, herhangi bir yöndeki enine titreşimler sunulur ve üstelik aynı orandadır, böylece hiçbir yön baskın değildir.

Sonuç 3, doğal ışığın turmalinden neden herhangi bir yönde aynı ölçüde geçtiğini açıklamaktadır, ancak sonuç 2'ye göre turmalin ışık titreşimlerini yalnızca belirli bir yönde iletebilmektedir. Doğal ışığın turmalinden geçişi, enine titreşimlerin yalnızca turmalin tarafından iletilebilenlerin seçilmesine neden olur. Bu nedenle, turmalinden geçen ışık, turmalin ekseninin yönelimiyle belirlenen, tek yönde bir dizi enine titreşim olacaktır. Böyle bir ışığa doğrusal olarak polarize diyeceğiz ve salınım yönünü ve ışık ışınının eksenini içeren düzlemi - polarizasyon düzlemi olarak adlandıracağız.

Artık ışığın art arda yerleştirilmiş iki turmalin plakadan geçmesiyle ilgili deney netleşiyor. İlk plaka, içinden geçen ışık ışınını polarize ederek onun yalnızca bir yönde salınmasına izin verir. Bu titreşimler, ancak yönleri ikinci turmalin tarafından iletilen titreşimlerin yönüyle çakışırsa, ikinci turmalinden tamamen geçebilir; ekseni birincinin eksenine paralel olduğunda. Polarize ışıktaki titreşimlerin yönü, ikinci turmalinin ilettiği titreşimlerin yönüne dik ise ışık tamamen gecikecektir. Polarize ışıktaki titreşimlerin yönü, turmalinin ilettiği yön ile dar bir açı oluşturuyorsa, o zaman titreşimler yalnızca kısmen iletilecektir.

Işık dağılımı

Newton, teleskopları geliştirme girişimleriyle bağlantılı olarak ışığın kırılması sırasında gözlemlenen renkleri incelemeye yöneldi. Mümkün olan en kaliteli lensleri elde etme çabası içinde Newton, görüntülerin ana dezavantajının renkli kenarların varlığı olduğuna ikna oldu. Newton en büyük optik keşiflerini kırılma sırasındaki renklenme çalışmasıyla yaptı.

Newton'un keşiflerinin özü aşağıdaki deneylerle gösterilmektedir (Şekil 1): Bir fenerden gelen ışık dar bir S deliğini (yarık) aydınlatır. Bir mercek L kullanılarak, yarığın görüntüsü MN ekranında kısa beyaz bir dikdörtgen S' şeklinde elde edilir. Yolun üzerine, kenarı yarığa paralel olan bir P prizması yerleştirerek, yarığın görüntüsünün kayarak renkli bir şerite dönüşeceğini, kırmızıdan mora renk geçişlerinin gözlemlenenlere benzer olduğunu buluyoruz. gökkuşağında. Newton bu gökkuşağı görüntüsüne spektrum adını verdi.

Boşluğu renkli camla kapatırsanız; prizmaya beyaz ışık yerine renkli ışık yönlendirirseniz, yarığın görüntüsü spektrumda karşılık gelen yerde bulunan renkli bir dikdörtgene indirgenecektir; Renge bağlı olarak ışık, orijinal S` görüntüsünden farklı açılarda sapacaktır. Açıklanan gözlemler, farklı renkteki ışınların bir prizma tarafından farklı şekilde kırıldığını göstermektedir.

Newton bu önemli sonucu birçok deneyle doğruladı. Bunlardan en önemlisi spektrumdan izole edilen farklı renkteki ışınların kırılma indisini belirlemekti. Bu amaçla MN ekranında spektrumun elde edildiği bir delik açıldı; Ekranı hareket ettirerek, delikten şu veya bu renkteki dar bir ışın ışınını serbest bırakmak mümkündü. Tekdüze ışınları izole etmeye yönelik bu yöntem, renkli cam kullanılarak yapılan izolasyondan daha ileri düzeydedir. Deneyler, ikinci bir prizmada kırılan böyle ayrılmış bir ışının artık şeridi uzatmadığını keşfetti. Böyle bir ışın, değeri seçilen ışının rengine bağlı olan belirli bir kırılma indeksine karşılık gelir.

Açıklanan deneyler, spektrumdan izole edilmiş dar renkli bir ışın için kırılma indisinin çok kesin bir değere sahip olduğunu, beyaz ışığın kırılmasının ise bu indeksin yalnızca bir değeriyle yaklaşık olarak karakterize edilebileceğini göstermektedir. Benzer gözlemleri karşılaştıran Newton, bir prizmadan geçerken ayrışmayan basit renklerin ve farklı kırılma indislerine sahip bir dizi basit rengi temsil eden karmaşık renklerin olduğu sonucuna vardı. Özellikle güneş ışığı, bir prizma yardımıyla ayrıştırılan ve yarığın spektral görüntüsünü veren renklerin birleşimidir.

Böylece Newton'un ana deneyleri iki önemli keşif içeriyordu:

1) Farklı renkteki ışık, belirli bir maddedeki (dağılım) farklı kırılma indisleriyle karakterize edilir.

2) Beyaz renk basit renklerin bir koleksiyonudur.

Artık farklı renklerin ışığın farklı dalga boylarına karşılık geldiğini biliyoruz. Dolayısıyla Newton'un ilk keşfi şu şekilde formüle edilebilir:

Bir maddenin kırılma indisi ışığın dalga boyuna bağlıdır.

Genellikle dalga boyu azaldıkça artar.

Planck'ın hipotezi

Alman fizikçi Max Planck, 1900 yılında, ısıtılan bir katının ışınımını açıklamada klasik teorinin zorluklarını aşma çabası içindeydi. teorik fizikte gerçek bir evrimin başlangıcına işaret eden bir hipotezi ifade etti. Bu hipotezin anlamı, elektromanyetik radyasyonla dengede olan bir salınım sisteminin enerji rezervinin herhangi bir değer alamayacağıdır. Elektromanyetik dalgaları emen ve yayan temel sistemlerin enerjisi mutlaka belirli bir enerji miktarının tamsayı katına eşit olmalıdır.

Bir sistemin emebileceği veya yayabileceği minimum enerji miktarına enerji kuantumu denir. Kuantum E'nin enerjisi salınım frekansı v ile orantılı olmalıdır:

e= hv .

Orantılılık faktörü H bu ifadeye Planck sabiti denir. Planck sabiti

6,6261937 . 10 -34J . İle

Planck sabitine bazen eylemin kuantumu denir. H boyutunun açısal momentum boyutuyla çakıştığına dikkat edin.

Bu yeni fikre dayanarak Planck, deneysel verilerle oldukça uyumlu olan spektrumdaki enerji dağılımı yasasını elde etti. Teorik olarak öngörülen yasanın deneyle iyi uyumu, Planck'ın kuantum hipotezinin tam olarak doğrulanmasıydı.

Fotoelektrik etkinin keşfi

Planck'ın kuantum hipotezi, 1887'de keşfedilen fotoelektrik etki olgusunu açıklamanın temelini oluşturdu. Alman fizikçi Heinrich Hertz.

Fotoelektrik etki olgusu, bir elektrometrenin çubuğuna bağlı bir çinko plakanın aydınlatılmasıyla tespit edilir. Plakaya ve çubuğa pozitif yük aktarılırsa, plaka aydınlatıldığında elektrometre deşarj olmaz. Plakaya negatif bir elektrik yükü vererek elektrometre, ultraviyole radyasyon plakaya çarptığı anda deşarj olur. Bu deney, ışığın etkisi altında metal bir plakanın yüzeyinden negatif elektrik yüklerinin salınabileceğini kanıtlıyor. Işığın fırlattığı parçacıkların yükünün ve kütlesinin ölçülmesi, bu parçacıkların elektron olduğunu gösterdi.

Birkaç tür fotoğraf efekti vardır: harici ve dahili fotoğraf efektleri, valf fotoğraf efektleri ve bir dizi başka efekt.

Dış fotoelektrik etki, üzerine gelen ışığın etkisi altında bir maddeden elektronların çıkması olgusudur.

İç fotoelektrik etki, yarı iletken üzerine düşen ışığın enerjisi nedeniyle atomlar arasındaki bağların kopması sonucu yarı iletkende serbest elektronların ve deliklerin ortaya çıkmasıdır.

Kapı fotoelektrik etkisi, iki farklı yarı iletken veya bir yarı iletken ile bir metal arasındaki teması içeren bir sistemde, bir elektromotor kuvvetinin ışığının etkisi altında meydana gelmesidir.

Fotoelektrik etkinin yasaları

Fotoelektrik etkinin niceliksel yasaları, 1888 - 1889'da seçkin Rus fizikçi Alexander Grigorievich Stoletov (1839 - 1896) tarafından oluşturuldu. İki elektrotlu bir vakumlu cam balon kullanarak (Şekil 2), balondaki akımın elektrotlar arasındaki voltaja ve elektrotun aydınlatma koşullarına bağımlılığını inceledi.

Bir vakum silindirinde voltajın uygulandığı iki metal elektrot A ve K vardır. Elektrotların polaritesi ve onlara uygulanan voltaj, orta uçlu potansiyometre R kullanılarak değiştirilebilir. Potansiyometre kaydırıcısı orta noktanın solunda olduğunda, A elektrotuna eksi, K elektrotuna ise artı uygulanır. Elektrotlar arasına uygulanan voltaj bir voltmetre V ile ölçülür. Elektrot K, kuvars camla kaplı bir pencereden ışıkla ışınlanır. Etkisi altında, elektronlar (fotoelektronlar olarak adlandırılır) bu elektrottan çekilir, bunlar elektrot A'ya uçar ve miliammetre mA tarafından kaydedilen bir fotoakım oluşturur.

Anlatılan kurulumda, aydınlatılan her bir parça için farklı metallerden yapılmış elektrotlar kullanılıyor.

maddeler, harici fotoelektrik etkinin akım-voltaj özelliklerini (yani, fotoakım kuvvetinin I'in elektrotlar arasındaki U voltajına bağımlılığı) olay ışık enerjisi akışının farklı değerlerinde elde etmek mümkündür.

Bu tür iki özellik (Şekil 3)'de sunulmaktadır.

Harici fotoelektrik etkinin aşağıdaki kalıpları ve yasaları deneysel olarak oluşturulmuştur.

1. Elektrotlar arasında voltaj olmadığında fotoakım sıfır değildir. Bu, fotoelektronların ayrılırken kinetik enerjiye sahip olduğu anlamına gelir.

2. U arttıkça fotoakım I yavaş yavaş artar çünkü artan sayıda fotoelektron anoda ulaşır.

3. Elektrotlar arasında belirli bir hızlanma voltajına U n ulaşıldığında, katottan çıkan tüm elektronlar anoda ulaşır ve foto akımın gücü voltaja bağlı olmayı bırakır. Artan voltajla gücü artmayan böyle bir fotoakıma doyma fotoakımı denir. Birim zamanda aydınlatılan metalden yayılan fotoelektronların sayısı n e ise, doyma fotoakımının gücü

BEN N = D Q / D T = Hayır / D T = hayır

Dolayısıyla doyma akımının şiddeti ölçülerek bir saniyede yayılan fotoelektronların sayısı belirlenebilir.

4. Doygunluk fotoakımının gücü, metal üzerine gelen ışık enerjisinin akışıyla doğru orantılıdır (fotoelektrik etkinin birinci yasası):

BEN N = G F

Burada g, maddenin ışığa duyarlılığı adı verilen orantı katsayısıdır. Sonuç olarak bir maddeden bir saniyede çıkan elektron sayısı, o maddenin üzerine gelen ışık enerjisinin akışıyla doğru orantılıdır.

5. Başlangıçtaki kinetik enerjiden dolayı elektronlar, geciktirici elektrik alan kuvvetlerine karşı iş yapabilirler. Bu nedenle, foto akım aynı zamanda 0'dan U3'e kadar negatif voltajlar bölgesinde de mevcuttur (elektrot A, akım kaynağının "eksi"sine bağlanır). Belirli bir gecikme voltajı U3'ten başlayarak fotoakım durur. Bu durumda, geciktirici elektrik alanının çalışması A e = eU3 ​​, fotoelektronların W km maksimum başlangıç ​​​​kinetik enerjisine eşittir. =mvm2/2:

bir e = K km. ; e sen 3 = mv M 2 /2

V M = 2e sen 3 / M

Böylece, U3 geciktirme voltajını ölçerek, maksimum başlangıç ​​kinetik enerjisini ve fotoelektronların maksimum başlangıç ​​hızını belirlemek mümkündür.

6. Geciktirme voltajının değeri ve dolayısıyla fotoelektronların maksimum kinetik enerjisi ve maksimum hızı, gelen ışığın yoğunluğuna bağlı değildir, ancak frekansına bağlıdır (fotoelektrik etkinin ikinci yasası).

7. Her maddenin belli bir frekans değeri vardır v k (ve dolayısıyla dalga boyu l k), öyle ki frekanslarda v daha küçük olanların olay ışığı v k (yani ışık dalga boyları l k'den büyük), fotoelektrik etki gözlemlenmez (fotoelektrik etkinin üçüncü yasası). Sıklık v k (ve dalga boyu l k) fotoelektrik etkinin kırmızı sınırı olarak adlandırılır. Örneğin bir çinko levha çok yüksek yoğunlukta bile görünür ışıkla ışınlandığında fotoelektrik etki oluşmazken, ultraviyole ışıkla çok düşük yoğunlukta bile ışınlandığında fotoelektrik etki gözlemlenir.

8. Metalin ışıkla ışınlanmasının başlangıcından fotoelektron emisyonunun başlangıcına kadar zaman geçer<10 -9 с. Следовательно, фотоэффект безынерционен. Если частота падающего света v > v k, o zaman fotoelektronların emisyonu neredeyse anında gerçekleşir. Eğer v < v Bu nedenle metal ne kadar aydınlatılırsa aydınlatılsın fotoelektrik etki görülmez.

Fotonlar

Göreli fizikte (görelilik teorisi), m kütlesinin ve W enerjisinin birbiriyle ilişkili olduğu gösterilmiştir:

K = mc 2

Bu nedenle enerji kuantumu Wф=h v elektromanyetik radyasyon kütleye karşılık gelir

M F = K F / C 2 = H v / C 2

Elektromanyetik radyasyon ve dolayısıyla foton, yalnızca belirli bir hızda yayıldığında var olur. İle. Bu, fotonun geri kalan kütlesinin sıfır olduğu anlamına gelir.

mf kütlesine sahip ve hızla hareket eden foton İle, momentumu var

P F = M F C = H v / C

Fotonun ayrıca kendi açısal momentumu vardır. döndürmek .

L f= H /2 p= H

Enerjisi, kütlesi, momentumu veya açısal momentumu olan bir nesne büyük olasılıkla bir parçacıkla ilişkilidir. Bu nedenle, elektromanyetik radyasyonun enerji kuantumu - bir foton - elektromanyetik radyasyonun, özellikle de ışığın bir parçacığı gibidir.

Elektromanyetik radyasyonun bir foton koleksiyonu olduğu gerçeğinden, bir parçacığın elektromanyetik alanının, parçacığın kendisi tarafından yayılan ve emilen fotonların bir koleksiyonu olduğu sonucu çıkar.

Klasik fizik çerçevesinde, serbest bir parçacık tarafından bir etkileşim taşıyıcısının emisyonu, enerji ve momentumun korunumu yasaları tarafından yasaklanmıştır. Kuantum fiziği, enerji ve zamanın belirsizlikleri arasındaki ilişkiyi kullanarak bu yasağı ortadan kaldırır. Üstelik bu, etkileşim taşıyıcısının kütlesi ile etki aralığı arasında bir bağlantı kurar.

Enerjinin korunumu yasasını ihlal ediyormuş gibi ilerleyen bu tür süreçlere genellikle sanal süreçler denir ve etkileşime giren ve serbest parçacıklarda olduğu gibi enerji ve momentum ilişkisine sahip olamayan parçacıklara sanal parçacıklar denir. Etkileşime dahil olan sanal değişim parçacıkları tespit edilemez. Ancak yayan parçacığın enerjisini artırarak, örneğin elektronları hızlandırarak sanal fotonlar, kaydedilebilecek gerçek, serbest fotonlara dönüştürülebilir. Bu, gerçek fotonların yayılma sürecidir.

Elektromanyetik alanın bu temsili, elektrik yüklü parçacıkların bir elektromanyetik alan yoluyla etkileşimi kavramının revizyonuna yol açmaktadır. Bir parçacıktan başka bir yüklü parçacık varsa, o zaman bir parçacık tarafından yayılan bir foton diğeri tarafından emilebilir veya bunun tersi de foton değişimiyle sonuçlanır; Parçacıklar etkileşime girmeye başlayacak. Böylece parçacıkların elektromanyetik etkileşimi foton alışverişi yoluyla gerçekleşir. Bu etkileşim mekanizmasına denir değişme ve tüm etkileşimler için geçerlidir. Herhangi bir alan, etkileşime giren bir parçacık tarafından yayılan bir dizi kuantum etkileşim taşıyıcısıdır ve herhangi bir etkileşim, etkileşim taşıyıcılarının değişimidir.

Sonuç olarak, fotonun temel parçacıklar grubundan parçacıklardan biri olduğuna dikkat çekiyoruz.

Fotoelektrik etkinin yasalarını ışığın dalga kavramları temelinde açıklamanın imkansızlığı.

Dış fotoelektrik etkinin yasalarını ışığın dalga kavramları temelinde açıklamaya yönelik girişimlerde bulunulmuştur. Bu fikirlere göre fotoelektrik etki mekanizması şuna benzer. Metalin üzerine bir ışık dalgası düşüyor. Yüzey katmanında bulunan elektronlar bu dalganın enerjisini emer ve enerjileri giderek artar. İş fonksiyonundan büyük olduğunda elektronlar metalden dışarı fırlamaya başlar. Böylece, ışığın dalga teorisinin, fotoelektrik etki olgusunu niteliksel olarak açıklayabileceği varsayılmaktadır.

Ancak hesaplamalar, bu açıklamayla metalin aydınlanmaya başlaması ile elektron emisyonunun başlaması arasındaki sürenin on saniye civarında olması gerektiğini gösterdi. Bu arada, deneyimlerden şu sonuç çıkıyor:<10 -9 c. Следовательно, волновая теория света не объясняет безынерционности фотоэффекта. Не может она объяснить и остальные законы фотоэффекта.

Dalga teorisine göre, metal üzerine düşen ışığın şiddeti arttıkça fotoelektronların kinetik enerjisi de artmalıdır. Ve dalganın yoğunluğu, ışığın frekansı tarafından değil, voltaj dalgalanmalarının büyüklüğü E tarafından belirlenir. (Yalnızca devre dışı bırakılan elektronların sayısı ve doyma akımının gücü gelen ışığın yoğunluğuna bağlıdır.)

Dalga teorisinden, bir metalden elektronları koparmak için gerekli enerjinin, yoğunluğu yeterince yüksekse herhangi bir dalga boyundaki radyasyonla sağlanabileceği sonucu çıkar. Fotoelektrik etkinin herhangi bir ışık radyasyonundan kaynaklanabileceği. Ancak fotoelektrik etkinin kırmızı bir sınırı vardır. Elektronların aldığı enerji dalganın genliğine değil frekansına bağlıdır.

Böylece, fotoelektrik etkinin yasalarını ışığın dalga kavramları temelinde açıklama girişimlerinin savunulamaz olduğu ortaya çıktı.

Işığın kuantum kavramlarına dayalı olarak fotoelektrik etki yasalarının açıklanması. Einstein'ın fotoelektrik etki denklemi.

Fotoelektrik etkinin yasalarını açıklamak için A. Einstein, Planck'ın cisimlerin termal radyasyonunu tanımlamak için tanıttığı kuantum ışık kavramlarını kullandı.

Tamamen siyah bir cisimden gelen radyasyonun enerjisindeki dalgalanmaları analiz eden Einstein, radyasyonun sanki her biri hv büyüklüğünde N=W/(hv) bağımsız enerji kuantumlarından oluşuyormuş gibi davrandığı sonucuna vardı. Einstein'a göre herhangi bir noktadan çıkan ışığın yayılması sırasında enerji, giderek genişleyen bir uzaya sürekli olarak dağılmamaktadır. Enerji, uzayda lokalize olan sonlu sayıda enerji kuantumundan oluşur. Bu kuantumlar parçalara bölünmeden hareket eder; yalnızca bir bütün olarak emilebilir ve yayılabilirler.

Böylece Einstein, ışığın yalnızca yayılmadığı, aynı zamanda uzayda yayıldığı ve madde tarafından kuantum biçiminde emildiği sonucuna vardı. Işık radyasyonunun - ışık kuantumu - parçacık özelliklerine sahip kısımları, yani. elektromanyetik alanın özelliklerinin taşıyıcıları olan parçacıkların özellikleri. Bu parçacıklara foton denir.

Işığın kuantum kavramları açısından bakıldığında, bir metale gelen monokromatik radyasyonun enerjisi, enerjili fotonlardan oluşur.

K F = H v

K St. = Kuzeybatı F = Hayır v

ve ışık enerjisi akışı eşittir

Ф= K St. / T = Hayır v / T = N F H v

burada N, t süresi boyunca metale gelen fotonların sayısıdır; n f – birim zamanda metale gelen fotonların sayısı.

Radyasyonun madde ile etkileşimi, her birinde bir elektronun bir fotonun enerjisini tamamen emdiği çok sayıda temel eylemden oluşur. Foton enerjisi iş fonksiyonundan büyük veya ona eşitse elektronlar metalden dışarı fırlar. Bu durumda, emilen fotonun enerjisinin bir kısmı, A iş fonksiyonunun yerine getirilmesi için harcanır, geri kalanı ise fotoelektronun kinetik enerjisini oluşturur. Bu yüzden

K F =A'da + K İle ; H v =A'da + mv 2 /2.

Bu ifadeye Einstein'ın fotoelektrik etki denklemi denir.

Fotoelektronların kinetik enerjisinin gelen ışığın frekansına bağlı olduğunu gösterir (fotoelektrik etkinin ikinci yasası).

Kuantumun enerjisi iş fonksiyonundan küçükse, herhangi bir ışık yoğunluğunda elektron yayınlanmaz. Bu, fotoelektrik etkinin kırmızı sınırının (fotoelektrik etkinin üçüncü yasası) varlığını açıklar.

Şimdi fotoelektrik etkinin birinci yasasının ışığın kuantum kavramları temelinde nasıl açıklandığını gösterelim.

Fotoelektrik etki nedeniyle açığa çıkan elektronların sayısı, yüzeye gelen ışık kuantumunun sayısıyla orantılı olmalıdır;

N e ~ N F ; N e = biliyorum F ,

burada k, gelen fotonların hangi kısmının metalden elektronları dışarı çıkardığını gösteren bir katsayıdır. (Kuantumun yalnızca küçük bir kısmının enerjisini fotoelektronlara aktardığına dikkat edin. Geriye kalan kuantumun enerjisi, ışığı soğuran maddenin ısıtılması için harcanır). Foton sayısı nf, gelen ışığın enerji akışını belirler.

Böylece ışığın kuantum teorisi, dış fotoelektrik etkinin tüm yasalarını tamamen açıklar. Böylece ışığın dalga özelliklerine ek olarak parçacık özelliklerine de sahip olduğu deneysel olarak tartışmasız bir şekilde doğrulanmıştır.

Işığın parçacık-dalga doğası

Geleneksel ışık kaynaklarından gelen ışığın girişimi, kırınımı ve polarizasyonu olgusu, ışığın dalga özelliklerini reddedilemez bir şekilde gösterir. Ancak bu olaylarda bile uygun koşullar altında ışık parçacık özellikleri sergiler. Buna karşılık, cisimlerin termal radyasyon yasaları, fotoelektrik etki ve diğerleri tartışmasız bir şekilde ışığın sürekli, geniş bir dalga olarak değil, enerjinin "kümelerinin" (bölümleri, kuantum) akışı olarak davrandığını gösterir; bir parçacık akışı gibi - fotonlar. Ancak bu fenomenlerde ışığın dalga özellikleri de vardır; bunlar bu fenomenler için kesinlikle önemli değildir.

Şu soru ortaya çıkıyor: Işık, bir kaynak tarafından yayılan sürekli bir elektromanyetik dalga mıdır, yoksa bir kaynak tarafından yayılan ayrık fotonlardan oluşan bir akış mıdır? Işığa bir yandan kuantum, parçacık özellikleri, diğer yandan dalga özellikleri atfetme ihtiyacı, ışığın özellikleri hakkındaki bilgimizin kusurlu olduğu izlenimini yaratabilir. Deneysel gerçekleri açıklarken farklı ve görünüşte birbirini dışlayan kavramları kullanma ihtiyacı yapay görünüyor. Optik olayların tüm çeşitliliğinin, ışığın özelliklerine ilişkin iki bakış açısından biriyle açıklanabileceğini düşünmek isterim.

Yüzyılımızın fiziğinin en önemli başarılarından biri, ışığın dalga ve kuantum özelliklerini birbiriyle karşılaştırma girişimlerinin yanlış olduğuna kademeli olarak inanılmasıdır. Bir ışık dalgasının elektromanyetik alanının süreklilik karakteristiğinin özellikleri, ışık kuantum - fotonlarının ayrıklık karakteristiğinin özelliklerini dışlamaz. Işık aynı anda sürekli elektromanyetik dalgaların özelliklerine ve ayrık fotonların özelliklerine sahiptir. Bu karşıt özelliklerin diyalektik birliğini temsil eder. Elektromanyetik radyasyon (ışık), uzayda yayılması ve dağılımı elektromanyetik dalga denklemleriyle tanımlanan bir foton akışıdır. Bu nedenle ışık parçacık-dalga yapısına sahiptir.

Işığın parçacık dalga yapısı formülde yansıtılmaktadır.

p f = H v / C = H / ben

Bir fotonun parçacık karakteristiğini (impuls) ışığın dalga karakteristiğiyle frekans (veya dalga boyu) ile birleştirmek.

Ancak ışığın tanecikli dalga doğası, klasik temsilinde ışığın hem parçacık hem de dalga olduğu anlamına gelmez.

Işığın parçacık ve dalga özellikleri arasındaki ilişki, fotonların uzaydaki dağılımını ve yayılmasını dikkate alan istatistiksel (olası) bir yaklaşım kullanılarak basit bir yorum bulur.

1) Işığın örneğin yuvarlak bir delikten kırıldığını düşünün.

Eğer tek bir foton delikten geçirilirse, dalga açısından beklendiği gibi ekranda değişen açık ve koyu şeritler olmayacaktır; foton, dalga kavramlarına göre olması gerektiği gibi ekranın bir noktasına veya başka bir noktasına çarpar ve ekran boyunca yayılmaz. Ancak aynı zamanda bir fotonu parçacık olarak ele alıp tam olarak hangi noktaya çarptığını hesaplamak imkansızdır ki, foton klasik bir parçacık olsaydı bu da mümkün olurdu.

Bir delikten art arda N sayıda foton geçirilirse farklı fotonlar ekranın farklı noktalarına çarpabilir. Ancak dalga kavramlarına göre açık şeritlerin olması gereken yerlere fotonlar daha sık düşecektir.

Eğer N sayıda foton delikten aynı anda geçerse, uzaydaki ve ekrandaki her noktada, onları birer birer geçerken olan sayıda foton bulunur. Ancak bu durumda karşılık gelen sayıda foton ekranın her noktasına aynı anda çarpar ve eğer N büyükse dalga kavramları açısından beklenen kırınım modeli ekranda gözlemlenecektir.

Örneğin, karanlık girişim saçakları için salınımın kare genliği ve çarpan fotonların olasılık yoğunluğu minimumdur ve açık saçaklar için kare genlik ve olasılık yoğunluğu maksimumdur.

Dolayısıyla, ışık çok fazla sayıda foton içeriyorsa, kırınım altında, ayrı, bulanık olmayan fotonlardan oluşmasına rağmen sürekli bir dalga olarak düşünülebilir.

2) Dış fotoelektrik etki olgusunda, her fotonun yalnızca bir elektronla çarpışması (parçacıklı bir parçacık gibi) ve hangi belirli fotonun değil, parçalara bölünmeden bir bütün olarak onun tarafından emilmesi önemlidir. hangi serbest elektrona çarpar (bu, dalga özelliklerine göre belirlenir) ve onu yere serer. Bu nedenle fotoelektrik etkiyle ışık bir parçacık akışı olarak düşünülebilir.

Elektromanyetik radyasyonun parçacık dalga yapısı özellikle ışık için oluşturulmuştur, çünkü günlük yaşamda uğraştığımız sıradan güneş ışığı bir yandan çok sayıda fotonun akışını temsil eder ve açıkça dalga özellikleri sergiler, diğer yandan da Işık fotonları, parçacık özelliklerinin belirleyici bir rol oynadığı fotoiyonizasyon, fotolüminesans, fotosentez, fotoelektrik etki gibi etkileri gerçekleştirmek için yeterli enerjiye sahiptir. Örneğin radyo dalgalarına karşılık gelen fotonlar düşük enerjiye sahiptir ve bireysel fotonların gözle görülür etkileri yoktur ve kaydedilen radyo dalgaları çok sayıda foton içermeli ve daha çok dalga gibi davranmalıdır. G- Çekirdeklerin radyoaktif bozunmasından ve nükleer reaksiyonlardan kaynaklanan ışınlar yüksek enerjiye sahiptir, etkileri kolayca kaydedilir, ancak nükleer reaktörlerde çok sayıda fotonun akışı özel koşullar altında elde edilir. Bu nedenle g-ışınları genellikle kendilerini dalgalar yerine parçacıklar olarak gösterirler.

Dolayısıyla ışık, enerjisinin, momentumunun, kütlesinin ve dönüşünün fotonlarda lokalize olması ve uzayda yayılmaması anlamında parçacıktır; ancak bir fotonun uzayda kesin olarak tanımlanmış belirli bir konuma yerleştirilebilmesi anlamında değildir. Işık, fotonların uzaydaki yayılımı ve dağılımının olasılıksal olması anlamında bir dalga gibi davranır: Bir fotonun belirli bir noktada olma olasılığı, o noktadaki genliğin karesi ile belirlenir. Ancak fotonların uzaydaki dağılımının olasılıksal (dalga) doğası, fotonun zamanın her anında herhangi bir noktada yer aldığı anlamına gelmez.

Böylece ışık, dalgaların sürekliliği ile parçacıkların ayrıklığını birleştirir. Fotonların yalnızca hareket halindeyken (c hızında) var olduğunu hesaba katarsak, ışığın aynı anda hem dalga hem de parçacık özelliklerine sahip olduğu sonucuna varırız. Ancak bazı olgularda, belirli koşullar altında, ya dalga ya da parçacık özellikleri ana rolü oynar ve ışık ya bir dalga ya da parçacık (parçacık) olarak düşünülebilir.

Işık girişiminin pratik uygulaması

Malzemelerin tahribatsız muayenesinde holografinin uygulanması.

Böyle bir hologramı okurken her iki nesne dalgası da yeniden üretilir ve girişim yapar. Nesnenin deformasyonu küçükse (l dalga boyuyla karşılaştırılabilir), o zaman nesnenin görüntüsü net olacaktır, ancak genişliği ve şekli nesnenin deformasyonunu niceliksel olarak tanımlamayı mümkün kılan girişim saçaklarıyla kaplanacaktır; Çünkü saçakların yüzeyin her noktasındaki görünümü optik yol uzunluğundaki değişiklikle orantılıdır.

Holografik interferometri ayrıca, yükleme altındaki bir nesnenin yüzeyinde anormal deformasyona yol açan kusurların (çatlaklar, boşluklar, malzeme özelliklerinin homojen olmaması vb.) tespit edilmesi için de kullanılır. Deformasyonlar, hatalı numune olmadan ortaya çıkan desenle karşılaştırıldığında girişim desenindeki değişikliklerle tespit edilir.

Holografik girişim tahribatsız muayenede çeşitli yükleme yöntemleri kullanılır. Örneğin, mekanik yükleme altında, hem malzemenin yüzeyinde hem de çevresinde birkaç milimetre uzunluğunda mikro çatlaklar tespit edilir ve lokalize edilir. Bu tür çalışmalar özellikle betondaki çatlakların tespit edilmesi ve büyümelerinin izlenmesi amacıyla yapılmaktadır.

Holografik interferometri, içi boş yapılardaki bağlantıların kalitesini incelemek için kullanılır, ardından basınç yüklemesi ve vakum yüklemesi kullanılır. Arızalı alanlardaki deformasyon ve dolayısıyla girişim desenleri, yapının diğer alanlarındaki deformasyondan farklıdır.

Termal yükleme sıklıkla kullanılır. Bu yöntem, yüzey sıcaklığı değiştiğinde meydana gelen yüzey deformasyonlarının incelenmesine dayanmaktadır. Kusur bölgesinde sıcaklık alanı bozulur, bu da deformasyonda yerel bir değişikliğe ve dolayısıyla girişim deseninin bozulmasına yol açar. Holografik interferometrinin yüksek hassasiyeti nedeniyle, nesnenin sıcaklığı ortam sıcaklığına göre yalnızca birkaç derece değiştiğinde kaydedilen deformasyonlar ortaya çıkar.

Fotoelektrik etkinin uygulanması

Fotoelektrik etkiyi kullanarak çalışan en basit cihaz, vakum fotoselidir. Bir vakum fotoseli, iki elektrik kablosuyla donatılmış bir cam ampulden oluşur. Şişenin iç yüzeyi kısmen ince bir metal tabaka ile kaplanmıştır. Bu kaplama fotoselin katodu görevi görür. Anot silindirin merkezinde bulunur. Katot ve anot terminalleri sabit bir voltaj kaynağına bağlanır. Katot aydınlatıldığında yüzeyinden elektronlar salınır. Bu sürece dış fotoelektrik etki denir. Elektronlar elektrik alanın etkisi altında anoda doğru hareket ederler. Fotosel devresinde bir elektrik akımı ortaya çıkar, akımın gücü ışık radyasyonunun gücüyle orantılıdır. Böylece fotosel, ışık radyasyonunun enerjisini elektrik akımı enerjisine dönüştürür.

Yarı iletken fotoseller ayrıca ışık radyasyonunun enerjisini elektrik akımı enerjisine dönüştürmek için de kullanılır.

Yarı iletken eleman aşağıdaki yapıya sahiptir. Düz bir silikon kristalinde veya diğer delik iletken yarı iletkende ince bir elektronik iletken yarı iletken katman oluşturulur. Bu katmanlar arasındaki arayüzde bir p-n bağlantısı meydana gelir. Yarı iletken bir kristal aydınlatıldığında, ışığın emilmesi sonucunda elektronların ve deliklerin enerji dağılımı değişir. Bu sürece iç fotoelektrik etki denir. İç fotoelektrik etkinin bir sonucu olarak yarı iletkendeki serbest elektron ve deliklerin sayısı artar ve bunlar p-n eklem sınırında ayrılır.

Yarı iletken bir fotoselin zıt katmanları bir iletken ile bağlandığında devrede bir elektrik akımı ortaya çıkar; Devredeki akımın gücü, fotosele gelen ışık akısının gücüyle orantılıdır.

Elektromanyetik rölenin sargısıyla fotoselin seri olarak açılması, ışık fotosele çarptığında aktüatörlerin otomatik olarak açılıp kapanmasını sağlar. Fotoseller sinemada filme kaydedilen sesi film müziği olarak yeniden üretmek için kullanılır.

Yarı iletken fotoseller, güneş ışınımı enerjisinin elektrik enerjisine dönüştürüldüğü yapay Dünya uydularında, gezegenler arası otomatik istasyonlarda ve enerji santralleri olarak yörünge istasyonlarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Modern yarı iletken fotovoltaik jeneratörlerin verimliliği %20'yi aşmaktadır.

Yarı iletken fotoseller günlük yaşamda giderek daha fazla kullanılmaktadır. Saatlerde ve mikro hesap makinelerinde yenilenemeyen akım kaynakları olarak kullanılırlar.

Giriş 3

Girişim 4

Kırınım 5

Polarizasyon 6

Varyans 8

Planck'ın hipotezi 9

Fotoğraf Efektinin Keşfi 10

Fotoelektrik etkinin yasaları 11

Fotonlar 14

Fotoelektrik etkiyi ışığın dalga kavramlarına dayanarak açıklamanın imkansızlığı 15

Işığın kuantum kavramlarına dayalı olarak fotoelektrik etki yasalarının açıklanması. Einstein'ın fotoelektrik etki denklemi 16

Parçacık – ışığın dalga doğası 18

Işık girişiminin pratik uygulaması 21

Fotoelektrik etkinin uygulanması 23

Referanslar 25

Moskova Devlet Su Taşımacılığı Akademisi

Fizik ve Kimya Bölümü

Modern doğa bilimi kavramının özeti (fizikte)

konuyla ilgili:

“Dalga-parçacık ikiliği, teorideki önemi ve deneysel doğrulama”

Tamamlanmış:

2. sınıf öğrencisi

MVT-4 grupları

Öğretmen:

Kobranov.M.E

Moskova 2001

Kaynakça:

Gribov L.A. Prokofieva N.I., “Fiziğin Temelleri”, ed. Bilim 1995

Zhibrov A.E., Mikhailov V.K., Galtsev V.V., “Kuantum mekaniği ve atom fiziğinin unsurları”, MISI im. V.V Kuibysheva, 1984

Shpolsky I.V., “Atomik Fizik”, ed. Bilim, 1974

Gursky I.P., “Temel fizik”, Düzenleyen: Savelyev I.V., 1984.

"İlköğretim fizik ders kitabı", Ed. Landsberg G.S., 1986

Kabardin O.F., “Fizik”, ed. Eğitim.

Savelyev I.V., “Genel Fizik Dersi”, ed. Bilim, 1988