Что такое корпускулярно-волновой дуализм? Корпускулярные и волновые свойства частиц. Принцип неопределенности Физические величины характеризующие корпускулярные свойства световой частицы

Введение 2

1. Волновые свойства света 3

1.1 Дисперсия 3

1.2 Интерференция 5

1.3 Дифракция. Опыт Юнга 6

1.4 Поляризация 8

2. Квантовые свойства света 9

2.1 Фотоэффект 9

2.2 Эффект Комптона 10

Заключение 11

Список использованной литературы 11

Введение

Первые представления древних ученых о том, что такое свет, были весьма наивны. Существовало несколько точек зрения. Одни считали, что из глаз выходят особые тонкие щупальца и зрительные впечатления возникают при ощупывании ими предметов. Эта точка зрения имела большое число последователей, среди которых был Эвклид, Птолемей и многие другие ученые и философы. Другие, наоборот, считали, что лучи испускаются светящимся телом и, достигая человеческого глаза, несут на себе отпечаток светящегося предмета. Такой точки зрения придерживались Лукреций, Демокрит.

В это же время Эвклидом был сформулирован закон прямолинейного распространения света. Он писал: “Испускаемые глазами лучи распространяются по прямому пути”.

Однако позже, уже в средние века, такое представление о природе света теряет свое значение. Все меньше становится ученых, следующих этим взглядам. И к началу XVII в. эти точки зрения можно считать уже забытыми.

В 17 веке почти одновременно возникли и начали развиваться две совершенно разные теории о том, что такое свет и какова его природа.

Одна из этих теорий связана с именем Ньютона, а другая с именем Гюйгенса.

Ньютон придерживался так называемой корпускулярной теории света, согласно которой свет это поток частиц, идущих от источника во все стороны (перенос вещества).

Согласно же представлениям Гюйгенса, свет это поток волн, распространяющихся в особой, гипотетической среде эфире, заполняющем все пространство и проникающем внутрь всех тел.

Обе теории длительное время существовали параллельно. Ни одна из них не могла одержать решающей победы. Лишь авторитет Ньютона заставлял большинство ученых отдавать предпочтение корпускулярной теории. Известные в то время из опыта законы распространения света более или менее успешно объяснялись обеими теориями.

На основе корпускулярной теории было трудно объяснить, почему световые пучки, пересекаясь в пространстве, никак не действуют друг на друга. Ведь световые частицы должны сталкиваться и рассеиваться.

Волновая же теория это легко объясняла. Волны, например на поверхности воды, свободно проходят друг сквозь друга, не оказывая взаимного влияния.

Однако прямолинейное распространение света, приводящее к образованию за предметами резких теней, трудно объяснить, исходя из волновой теории. При корпускулярной же теории прямолинейное распространение света является просто следствием закона инерции.

Такое неопределенное положение относительно природы света сохранялось до начала XIX века, когда были открыты явления дифракции света (огибания светом препятствий) и интерференция света (усиление или ослабление освещенности при наложении световых пучков друг на друга). Эти явления присуще исключительно волновому движению. Объяснить их с помощью корпускулярной теории нельзя. Поэтому казалось, что волновая теория одержала окончательную и полную победу.

Такая уверенность особенно окрепла, когда Максвелл во второй половине XIX века показал, что свет есть частный случай электромагнитных волн. Работами Максвелла были заложены основы электромагнитной теории света.

После экспериментального обнаружения электромагнитных волн Герцем никаких сомнений в том, что при распространении свет ведет себя как волна, не осталось.

Однако в нале XIX века представления о природе света начали коренным образом изменяться. Неожиданно выяснилось, что отвергнутая корпускулярная теория все же имеет отношение к действительности.

При излучении и поглощении свет ведет себя подобно потоку частиц.

Были обнаружены прерывистые, или, как говорят, квантовые, свойства света. Возникла необычная ситуация: явления интерференции и дифракции по-прежнему можно объяснить, считая свет волной, а явления излучения и поглощения считая свет потоком частиц. Эти два, казалось бы, несовместимых друг с другом представления о природе света в 30-х годах XX века удалось непротиворечивым образом объединить в новой выдающейся физической теории квантовой электродинамике.

1. Волновые свойства света

1.1 Дисперсия

Занимаясь усовершенствованием телескопов, Ньютон обратил внимание на то что, что изображение, даваемое объективом, по краям окрашено. Он заинтересовался этим и первый исследовал разнообразие световых лучей и проистекающие отсюда особенности цветов, каких до того никто даже не (слова из надписи на могиле Ньютона) Основной опыт Ньютона был гениально прост. Ньютон догадался направить на призму световой пучок малого поперечного сечения. Пучок солнечного света проходил в затемненную комнату через маленькое отверстие в ставне. Падая на стеклянную призму, он преломлялся и давал на противоположной стене удлиненное изображение с радужным чередованием цветов. Следуя многовековой традиции, согласно которой радуга считалась состоящей из семи основных цветов, Ньютон тоже выделил семь цветов: фиолетовый, синий, голубой, зеленый, желтый, оранжевый и красный. Саму радужную полоску Ньютон назвал спектром.

Закрывая отверстие красным стеклом, Ньютон наблюдал на стене только красное пятно, закрывая синим-синее и т.д. Отсюда следовало, что не призма окрашивает белый свет, как предполагалось раньше. Призма не изменяет цвета, а лишь разлагает его на составные части. Белый свет имеет сложную структуру. Из него можно выделить пучки различных цветов, и лишь совместное их действие вызывает у нас впечатление белого цвета. В самом деле, если с помощью второй призмы, повернутой на 180 градусов относительно первой. Собрать все пучки спектра, то опять получится белый свет. Выделив же какую-либо часть спектра, например зеленую, и заставив свет пройти еще через одну призму, мы уже не получим дальнейшего изменения окраски.

Другой важный вывод, к которому пришел Ньютон, был сформулирован им в трактате по Оптике следующим образом: Световые пучки, отличающиеся по цвету, отличаются по степени преломляемости Наиболее сильно преломляются фиолетовые лучи, меньше других красные. Зависимость показателя преломления света от его цвета носит название дисперсии (от латинского слова Dispergo-разбрасываю).

В дальнейшем Ньютон усовершенствовал свои наблюдения спектра, чтобы получить более чистые цвета. Ведь круглые цветные пятна светового пучка, прошедшего через призму, частично перекрывали друг друга. Вместо круглого отверстия использовалась узкая щель (А), освещенная ярким источником. За щелью располагалась линза (B), дающая на экране (D) изображение в виде узкой белой полоски. Если на пути лучей поместить призму (C), то изображение щели растянется в спектр, окрашенную полоску, переходы цветов, в которой от красного к фиолетовому подобны наблюдаемым в радуге. Опыт Ньютона изображен на рис.1

Если прикрыть щель цветным стеклом, т.е. если направлять на призму вместо белого света цветной, изображение щели сведется к цветному прямоугольнику, располагающему на соответствующем месте спектра, т.е. в зависимости от цвета свет будет отклоняться на различные углы от первоначального изображения. Описанное наблюдения показывает, что лучи разного цвета различно преломляются призмой.

Это важное заключение Ньютон проверил многими опытами. Важнейший из них состоял в определении и показателя преломления лучей различного цвета, выделенных из спектра. Для этой цели в экране, на котором получается спектр, прорезалось отверстие; перемещая экран, можно было выпустить через отверстие узкий пучок лучей того или иного цвета. Такой способ выделения однородных лучей более совершенен, чем выделение при помощи цветного стекла. Опыты обнаружили, что такой выделенный пучок, преломляясь во второй призме, уже не растягивает полоску. Такому пучку соответствует определенный показатель преломления, значение которого зависит от цвета выделенного пучка.

Таким образом, в основных опытах Ньютона заключались два важных открытия:

1.Свет различного цвета характеризуется различными показателями преломления в данном веществе (дисперсия).

2. Белый цвет есть совокупность простых цветов.

Зная, что белый свет имеет сложную структуру, можно объяснить удивительное многообразие красок в природе. Если предмет, например, лист бумаги, отражает все падающие на него лучи различных цветов, то он будет казаться белым. Покрывая бумагу слоем краски, мы не создаем при этом света нового цвета, но задерживаем на листе некоторую часть имеющегося. Отражаться теперь будут только красные лучи, остальные поглотятся слоем краски. Трава и листья деревьев кажутся нам зелеными потому, что из всех падающих на них солнечных лучей они отражают лишь зеленые, поглощая остальные. Если посмотреть на траву через красное стекло, пропускающее лишь красные лучи, то она будет казаться почти черной.

Мы знаем в настоящее время, что разным цветам соответствуют различные длины световых волн. Поэтому первое открытие Ньютона можно сформулировать следующим образом: показатель преломления вещества зависит от длины световой волны. Обычно он увеличивается по мере уменьшения длины волны.

1.2 Интерференция

Интерференцию света наблюдали очень давно, но только не отдавали себе в этом отчет. Многие видели интерференционную картину, когда в детстве развлекались пусканием мыльных пузырей или наблюдали за

30.12.2015. 14:00

Многие кто начинает познавать физику как в школьные годы так и в высших учебных заведениях, рано или поздно сталкиваются с вопросами касательно света. Во-первых, что больше всего мне не нравиться в физике которая нам известна сегодня. Так это трактовка одних понятий, при абсолютно спокойном выражении лица и не обращении внимания на другие явления и эффекты. То есть с помощью одних законов или правил пытаются пояснить те или иные явления, но при этом стараются не замечать эффекты этому объяснению противоречащие. Это уже является своего рода правилом ведения трактовки - Ну а как же вот это и это? Дорогой, послушай мы сейчас говорим о другом, просто не обращай внимания. Ведь в рамках этого вопроса, все бьется? Ну и славно.

Очередным "Котом Шредингера" для любого познания, является КВД (корпускулярно волновой дуализм). Когда состояние фотона (частицы света) или же электрона может описываться как волновыми эффектами так и корпускулярными (частицы). Что касается явлений указывающих на волновые свойства материи, тут все более менее понятно, кроме одной вещи - среда в которых эта самая волна передается. Но касательно корпускулярных свойств и особенно наличия таких "частиц" света как фотоны, у меня есть масса сомнений.

Как люди узнали о том что свет имеет волновую природу? Ну тому способствовали открытые эффекты и проведенные эксперименты с дневным светом. К примеру такое понятие как спектр света, (видимый спектр света) где в зависимости от длинны волны и соответственно частоты, цвет спектра меняется от красного до фиолетового, его то мы и видим нашим несовершенным глазом. Все что находится позади него и перед, относиться к инфракрасному, радио излучению, ультрафиолетовому, гамма излучению и так далее.

Обратите внимание как картинку выше, где изображен спектр электромагнитного излучения. В зависимости от частоты волны электромагнитного проявления оно может быть как гамма излучением, так и видимым светом и не только, к примеру оно может быть даже радио волной. Но что самое удивительное во всем этом, только видимому спектру света, столь незначительному во всем диапазоне частот, почему-то, ВНЕЗАПНО и только исключительно ему, приписываются свойства частиц - фотонов. Только видимый спектр почему-то проявляет корпускулярные свойства. Вы никогда не услышите о корпускулярных свойствах радио волн или скажем гамма излучения, эти колебания корпускулярных свойств не проявляют. Лишь отчасти к гамма излучению применяют понятие "гамма-кванта" но об этом позже.

А какие собственно явления или эффекты подтверждают наличие пусть даже только у видимого спектра света корпускулярных свойств? И вот тут начинается самое удивительное.

Если верить официальной науке, корпускулярные свойства света подтверждаются двумя известными эффектами. За открытие и пояснение этих эффектов были выданы Нобелевские премии по физике Альберту Эйнштейну (фото-эффект), Артуру Комптону (эффект Компотна). Следует отметить вопросом - почему фото-эффект не носит имя Альберта Эйнштейна ведь именно за него он получил Нобелевскую премию? А все очень просто, данный эффект был открыт не им, а другим талантливым ученым (Александр Беккерель 1839), Эйнштейн лишь пояснил эффект.

Давайте начнем с фото-эффекта. Где же по мнению физиков в нем присутствует подтверждение того что свет имеет корпускулярные свойства?

Фото-эффектом называют явление благодаря которому происходит испускание электронов веществом при воздействии на него светом или же любым другим электромагнитным излучением. Иными словами, свет поглощается материей и а его энергия переходит электронам заставляя их двигаться упорядочено, переходя таким образом в электрическую энергию.

На самом деле не понятно как физики пришли к заключению что так называемый фотон является частицей, ведь в явлении фотоэффекта установлено что электроны вылетают на встречу фотонам. Этот факт дает представление о неверной трактовке явления фото-эффекта, так как является одним из условий протекания данного эффекта. Но по мнению физиков, данный эффект показывает что фотон является именно частицей только благодаря тому что поглощается полностью, а так же благодаря тому что выделение электронов не зависит от интенсивности облучения а исключительно от частоты так называемого фотона. Именно поэтому родилось понятие кванта света или корпускула. Но тут следует заострить внимание на том что такое "интенсивность" в данном конкретном случае. Ведь солнечные батареи выдают все же больше электричества при увеличении количества света попадающего на поверхность фотоэлемента. К примеру когда мы говорим о интенсивности звука мы подразумеваем амплитуду его колебаний. Чем больше амплитуда тем большую энергию несет акустическая волна и тем большую мощность необходимо что бы такую волну создать. В случае со светом такое понятие отсутствует напрочь. Согласно сегодняшним представлениям в физике, у света есть частота, но нет амплитуды. Что опять же вызывает массу вопросов. К примеру у радиоволны амплитудные характеристики имеются, а у видимого света, волны которого скажем чуть короче радиоволн - амплитуды нет. Все это описанное выше говорит только о том, что такое понятие как фотон является мягко говоря размытым, а все явления указывающие на его существование как их интерпретация, не выдерживают никакой критики. Либо попросту являются придуманными в рамках поддержки какой либо гипотезы, что скорее всего так и есть.

Что касается Комптоновского рассеивания света (эффект Компотона) вообще не понятно каким образом на основании данного эффекта делается заключение что свет это частица а не волна.

В общем по сути сегодня у физики нет конкретного подтверждения того что частица фотон, является полноценной и существует в виде частицы в принципе. Есть некий квант который характеризуется частотным градиентом и не более. И что самое интересное размеры (длинна) этого фотона, согласно E=hv могут быть от нескольких десятков микрон до нескольких километров. И все это никого не смущает при употреблении слова "частица" к фотону.

К примеру, у фемтосекундного лазера с длинной импульса в 100 фемтосекунд длинна импульса (фотона) составляет 30 микрон. Для справки в прозрачном кристалле расстояние между атомами примерно 3 ангстрема. Ну как тут от атома к атому может лететь фотон величина которого в несколько раз больше этого расстояния?

Но сегодня физика не стесняется оперировать понятием квант, фотон или частица по отношению к свету. Просто не обращая внимания на то что не вписывается в стандартную модель описывающую материю и законы по которым она существует.

Основными характеристиками света как волнового процесса являются частота n и длина волны l. Корпускулярные свойства света характеризуются фотонами. Каждый фотон обладает энергией

e ф = hn, (5.1)

и импульсом

. (5.3)

Формула (5.3) устанавливает связь волновых и корпускулярных свойств света.

В связи с этим возникло предположение о том, что двойственная природа присуща не только свету, но и частицам материи, в частности электрону. В 1924 году Луи де Бройль высказал следующую гипотезу: с электроном связан волновой процесс, длина волны которого равна

где h = 6,63 × 10 –34 Дж×с - постоянная Планка, m – масса электрона, v – скорость электрона.

Расчеты показали, что длина волны, связанной с движущимся электроном, имеет тот же порядок, что и длина волны рентгеновских лучей (10 –10 ¸ 10 –13 м).

Из формулы де Бройля (5.4) видно, что волновые свойства частиц существенны только в тех случаях, в которых величиной постоянной Планка h пренебречь нельзя. Если в условиях данной задачи можно считать, что h ® 0, то и l®0 и волновыми свойствами частиц можно пренебречь.

5.2. Опытное обоснование корпускулярно – волнового дуализма

Гипотеза де Бройля получила экспериментальное подтверждение в опытах К. Дэвиссона и Л. Джермера (1927 г.), П.С. Тартаковского (1927 г.), Л.М. Бибермана, Н.Г. Сушкина и В.А. Фабриканта (1949 г.) и др.

В опытах Дэвиссона и Джермера (рис.5.1) электроны из электронной пушки узким пучком направлялись на кристалл никеля, структура которого хорошо известна.

Рис.5.1. Схема опыта Девиссона и Джермера

Отраженные от поверхности кристалла электроны попадали в приемник, соединенный с гальванометром. Приемник перемещался по дуге и улавливал электроны, отраженные под разными углами. Чем больше электронов попадало в приемник, тем больший ток регистрировался гальванометром.

Оказалось, что при заданном угле падения электронного пучка и изменении разности потенциалов U, ускоряющей электроны, ток I менялся не монотонно, а имел ряд максимумов (рис.5.2).

Рис.5.2. Зависимость силы тока от ускоряющей разности потенциалов в опытах Дэвиссона и Джермера

Полученный график говорит о том, что отражение электронов происходит не при любых, а при строго определенных значениях U, т.е. при строго определенных скоростях v электронов. Эту зависимость удалось объяснить только на основе представлений об электронных волнах.

Для этого выразим скорость электрона через ускоряющее напряжение:

и найдем дебройлевскую длину волны электрона:

(5.6)

Для отраженных от кристалла электронных волн, так же как и для рентгеновских лучей, должно выполняться условие Вульфа-Брэггов:

2d sinq = kl, k = 1,2,3,..., (5.7)

где d – постоянная кристаллической решетки, q – угол между падающим лучом и поверхностью кристалла.

Подставив (5.6) в (5.7), найдем те значения ускоряющего напряжения, которые соответствуют максимумам отражения, а следовательно, и максимальному току через гальванометр:

(5.8)

Рассчитанные по данной формуле значения U при q=const прекрасно согласуются с результатами опытов Дэвиссона и Джермера.

В опытах П.С. Тартаковского кристалл заменялся тонкой пленкой поликристаллической структуры (рис.5.3).

Рис.5.3. Схема опытов П.С. Тартаковского

Рассеянные пленкой электроны давали на экране дифракционные круги. Аналогичная картина наблюдалась при рассеянии рентгеновских лучей на поликристаллах. По диаметрам дифракционных кругов можно определить дебройлевскую длину волны lэлектронов. Если l известна, то дифракционная картина позволяет судить о структуре кристалла. Этот метод исследования структуры носит название электронографии.

Л.М. Биберманом, Н.Г. Сушкиным и В.А. Фабрикантом были осуществлены опыты по дифракции одиночных, поочередно летящих электронов. Отдельные электроны попадали в различные точки экрана, на первый взгляд, разбросанные беспорядочно. Однако при рассеянии большого числа электронов обнаружилось, что точки попадания электронов на экран распределены так, что образуют максимумы и минимумы, т.е. при длительной экспозиции была получена такая же дифракционная картина, какую дает пучок электронов. Это свидетельствует о том, что волновыми свойствами обладает каждый отдельно взятый электрон.

Дифракционные явления наблюдались в опытах не только с электронами, но и с протонами, нейтронами, атомными и молекулярными пучками.

Волновые свойства. Современник Исаака Ньютона, нидерландский физик Христиан Гюйгенс, не отвергал существования корпускул, но полагал, что они не излучаются светящимися телами, а заполняют все пространство. Процесс распространения света Гюйгенс представлял не как поступательное движение, а как последовательный процесс передачи удара одной корпускулы о другую.

Сторонники Гюйгенса высказывали мнение, что свет есть распространяющееся колебание в особой среде - "эфире", которым заполнено все мировое пространство и который свободно проникает во все тела. Световое возбуждение от источника света передается эфиром во все стороны.

Так возникли первые волновые представления о природе света. Основную ценность начальной волновой теории света представляет принцип, первоначально сформулированный Гюйгенсом, а затем развитый Френелем. Принцип Гюйгенса - Френеля утверждает, что каждая почка, до которой дошло световое возбуждение, в свою очередь становится центром вторичных волн и передает их во все стороны соседним почкам.

Наиболее наглядно волновые свойства света проявляются в явлениях интерференции и дифракции.

Интерференция света заключается в том, что при взаимном нахождении двух волн может происходить усиление или ослабление колебаний. Принцип интерференции был открыт в 1801 г. англичанином Томасом Юнгом (1773-1829), врачом по профессии. Юнг провел ставший теперь классическим опыт с двумя отверстиями. На экране кончиком булавки прокалывались два близко расположенных отверстия, которые освещались солнечным светом из небольшого отверстия в зашторенном окне. За экраном наблюдалась вместо двух ярких то-1ек серия чередующихся темных и светлых колец.

Необходимым условием наблюдения интерференционной картины является когерентность волн (согласованное протекание колебательных или волновых процессов).

Явление интерференции широко используется в приборах - интерферометрах, с помощью которых осуществляются различные точные измерения и производится контроль чистоты обработки поверхности деталей, а также многие другие операции контроля.

В 1818 г. Френель представил обширный доклад по дифракции света на конкурс Парижской Академии наук. Рассматривая этот доклад, А.Пуассон (1781- 1840) пришел к выводу, что по предлагаемой Френелем теории при определенных условиях в центре дифракционной картины от непрозрачного круглого препятствия на пути света должно быть светлое пятно, а не тень. Это было ошеломляющее заключение. Д.Ф.Араго (1786-1853) тут же поставил опыт, и расчеты Пуассона подтвердились. Так противоречащее внешне теории Френеля заключение, сделанное Пуассоном, превратилось с помощью опыта Араго в одно из доказательств ее справедливости, а также положило начало признанию волновой природы света.

Явление отклонения света от прямолинейного направления распространения называется дифракцией.

На явлении дифракции основаны многие оптические приборы. В частности, в кристаллографической аппаратуре используется дифракция рентгеновских лучей.

Волновую природу света и поперечность световых волн доказывает, кроме того, и явление поляризации. Сущность поляризации наглядно демонстрирует простой опыт: при пропускании света через два прозрачных кристалла его интенсивность зависит от взаимной ориентации кристаллов. При одинаковой ориентации свет проходит без ослабления. При повороте одного из кристаллов на 90° свет полностью гасится, т.е. не проходит через кристаллы.

Волновую природу света подтверждает и явление дисперсии света. Узкий параллельный пучок белого света при прохождении через стеклянную призму разлагается на пучки света разного цвета. Цветную полоску называют сплошным спектром. Зависимость скорости распространения света в среде от длины волны называется дисперсией света. Дисперсия была открыта И.Ньютоном.

Разложение белого света объясняется тем, что он состоит из электромагнитных волн с разной длиной волны и показатель преломления зависит от длины волны. Наибольшее значение показателя преломления для света с самой короткой длиной волны - фиолетового, наименьшее для самого длинноволнового света - красного. Опыты показали, что в вакууме скорость света одинакова для света с любой длиной волны.

Изучение явлений дифракции, интерференции, поляризации и дисперсии света привело к утверждению волновой теории света.

Квантовые свойства света. В 1887 г. Г. Герц при освещении цинковой пластины, соединенной со стержнем электрометра, обнаружил явление фотоэлектрического эффекта. Если пластине и стержню передан положительный заряд, то электрометр не разряжается при освещении пластины. При сообщении пластине отрицательного электрического заряда электрометр разряжается, как только на пластину попадает излучение. Этот опыт доказывает, что с поверхности металлической пластины под действием света вырываются отрицательные центрические заряды. Измерение заряда и массы частиц, вырываемых светом, показало, что эти частицы - электроны. Явление испускания электронов веществом под действием электромагнитного излучения называется фотоэффектом.

Количественные закономерности фотоэлектрического эффекта были установлены в 1888- 1889 гг. русским физиком А.Г. Столетовым (1839- 1896).

Объяснить основные законы фотоэффекта на основе электромагнитной теории света не удалось. Электромагнитная теория света не могла объяснить независимость энергии фотоэлектронов от интенсивности светового излучения, существования красной границы фотоэффекта, пропорциональность кинетической энергии, фотоэлектронов частоте света.

Электромагнитная теория Максвелла и электронная теория Лоренца несмотря на свои огромные успехи были несколько противоречивы и при ах применении встречался ряд затруднений. Обе теории основывались на гипотезе об эфире, только "упругий эфир" был заменен "эфиром электромагнитным" (теория Максвелла) или "неподвижным эфиром" (теория Лоренца). Теория Максвелла не смогла объяснить процессы испускания и поглощения света, фотоэлектрического эффекта, комптоновского рассеяния и т. д. Теория Лоренца в свою очередь не смогла объяснить многие явления, связанные с взаимодействием света с веществом, в частности вопрос о распределении энергии по длинам волн при тепловом излучении Абсолютно черного тела.

Перечисленные затруднения и противоречия были преодолены благодаря смелой гипотезе, высказанной в 1900 г. немецким физиком М. Планком, согласно которой излучение света происходит не непрерывно, а дискретно, т. е. определенными порциями (квантами), энергия которых определяется частотой n:

где h - постоянная Планка.

Теория Планка не нуждается в понятии об эфире. Она объяснила тепловое излучение абсолютно черного тела.

А.Эйнштейн в 1905 г. создал квантовую теорию света: не только излучение света, но и его распространение происходят в виде потока световых квантов - фотонов, энергия которых определяется приведенной выше формулой Планка, а импульс

где l - длина волны.

Наиболее полно квантовые свойства электромагнитных волн проявляются в эффекте Комптона: при рассеянии монохроматического рентгеновского излучения веществом с легкими атомами в составе рассеянного излучения наряду с излучением, характеризующимся первоначальной длиной волны, наблюдается излучение с более длинной волной.

Квантовые представления о свете хорошо согласуются с законами излучения и поглощения света, законами взаимодействия, излучения с веществом. Такие хорошо изученные явления, как интерференция, дифракция и поляризация света, хорошо объясняются в рамках волновых представлений. Все многообразие изученных свойств и законов распространения света, его взаимодействия с веществом показывает, что свет имеет сложную природу: он представляет собой единство противоположных свойств - корпускулярного (квантового) и волнового (электромагнитного). Длительный путь развития привел к современным представлениям о двойственной корпускулярно-волновой природе света. Приведенные выше выражения связывают корпускулярные характеристики излучения - массу и энергию кванта - с волновыми - частотой колебаний и длиной волны. Таким образом, свет представляет собой единство дискретности и непрерывности.

Вопросы для самопроверки

Вопрос 1. Назовите важнейшую задачу естествознания.

1. познавательная

2. мировоззренческая

3. телеологическая

4. создание естественнонаучной картины мира

Вопрос 2. Назовите наиболее общие, важные фундаментальные концепции физического описания природы.

1. материя

2. движение

3. пространство

Вопрос 3. Назовите философскую категорию для обозначения объективной реальности, которая отображается нашими ощущениями, существуя независимо от них.

1. сознание

2. отображение

3. материя

Характеристика состояния электронов в атоме основана на положении квантовой механики о двойственной природе электрона, обладающего одновременно свойствами частицы и волны.

Впервые двойственная корпускулярно-волновая природа была установлена для света. Исследования ряда явлений (излучение раскаленных тел, фотоэффект, атомные спектры) привели к выводу, что энергия испускается и поглощается не непрерывно, а дискретно, отдельными порциями (квантами). Предположение о квантовании энергии впервые было высказано Максом Планком (1900 г.) и обосновано Альбертом Эйнштейном (1905 г.): энергия кванта (∆Е) зависит от частоты излучения (ν):

∆Е = hν, где h = 6,63·10 -34 Дж·с – постоянная Планка.

Приравнивая энергию фотона hν к полному запасу его энергии mс 2 и, учитывая, что ν=с/λ, получаем соотношение выражающее взаимосвязь волновых и корпускулярных свойств фотона:

В 1924 году Луи де Бройль предположил, что двойственная корпускулярно-волновая природа присуща не только излучению, но и любой материальной частице: каждой частице, имеющей массу(m) и движущейся со скоростью (υ) соответствует волновой процесс с длиной волны λ:

λ = h / m υ (55)

Чем меньше масса частицы, тем больше длина волны. Поэтому обнаружить волновые свойства у макрочастиц трудно.

В 1927 г. Американские ученые Девиссон и Джермер, англичанин Томсон и советский ученый Тартаковский независимо друг от друга обнаружили дифракцию электронов, что явилось экспериментальным подтверждением волновых свойств электронов. Позднее была открыта дифракция (интерференция) α-частиц, нейтронов, протонов, атомов и даже молекул. В настоящее время дифракция электронов используется для исследования строения вещества.

В волновых свойствах элементарных частиц заложен один из принципов волновой механики: принцип неопределенности (В. Гейзенберг 1925 г.): для малых тел атомного масштаба невозможно одновременно точно определить положение частицы в пространстве и ее скорость (импульс). Сем точнее определены координаты частицы, тем менее определенной становится ее скорость, и наоборот. Соотношение неопределенностей имеет вид:

где ∆х – неопределенность положения частицы, ∆Р х – неопределенность величины импульса или скорости в направлении х. Аналогичные соотношения записываются и для координат y и z. Величина ℏ, входящая в соотношение неопределенности, очень мала, поэтому для макрочастиц неопределенности в значениях координат и импульсов ничтожны.

Следовательно, нельзя рассчитать траекторию движения электрона в поле ядра, можно лишь оценить вероятность его нахождения в атоме с помощью волновой функции ψ, которая заменяет классическое понятие траектории. Волновая функция ψ характеризует амплитуду волны в зависимости от координат электрона, а ее квадрат ψ 2 определяет пространственное распределение электрона в атоме. В наиболее простом варианте волновая функция зависит от трех пространственных координат и дает возможность определить вероятность нахождения электрона в атомном пространстве или его орбиталь . Таким образом, атомная орбиталь (АО) – область атомного пространства, в котором вероятность нахождения электрона наибольшая.

Волновые функции получаются при решении основополагающего соотношения волновой механики – уравнения Шредингера (1926 г):

(57)

где h- постоянная Планка, - переменная величина, U – потенциальная энергия частицы, Е – полная энергия частицы, x, y,z, - координаты.

Таким образом, квантование энергии микросистемы вытекает непосредственно из решения волнового уравнения. Волновая функция полностью характеризует состояние электрона.

Волновая функция системы – это функция состояния системы, квадрат которой равен плотности вероятности нахождения электронов в каждой точке пространства. Она должна удовлетворять стандартным условиям: быть непрерывной, конечной, однозначной, обращаться в нуль там, где электрон отсутствует.

Точное решение получается для атома водорода или водородоподобных ионов, для многоэлектронных систем используются различные приближения. Поверхность, ограничивающая 90–95 % вероятности нахождения электрона или электронной плотности, называют граничной. Атомная орбиталь и плотность электронного облака имеют одинаковую граничную поверхность (форму) и одинаковую пространственную ориентацию. Атомные орбитали электрона, их энергия и направление в пространстве зависят от четырех параметров – квантовых чисел :главного, орбитального, магнитного и спинового. Первые три характеризуют движение электрона в пространстве, а четвертое – вокруг собственной оси.

Квантовое число n – главное . Оно определяет энергетический уровень электрона в атоме, удаленность уровня от ядра и размер электронного облака. Принимает целые значения от 1 до ∞ и соответствует номеру периода. Из периодической системы для любого элемента по номеру периода можно определить число энергетических уровней атома, и какой энергетический уровень является внешним. Чем больше n , тем больше энергия взаимодействия электрона с ядром. При n = 1 атом водорода находится в основном состоянии, при n > 1 – в возбужденном. Если n ∞, то электрон покинул атомный объем. Произошла ионизация атома.

Например , элемент кадмий Cd расположен в пятом периоде, значит n=5. В его атоме электроны распределены по пяти энергетическим уровням (n = 1, n = 2, n = 3, n = 4, n = 5); внешним будет пятый уровень (n = 5).

Так как электрон обладает наряду со свойствами волны и свойствами материальной частицы, то он, обладая массой m, скоростью движения V, и находясь на расстоянии от ядра r, обладает моментом количества движения: μ=mVr.

Момент количества движения – это вторая (после энергии) характеристика электрона и выражается через побочное (азимутальное, орбитальное) квантовое число.

Орбитальное квантовое число l - определяет форму электронного облака (рис. 7), энергию электрона на подуровне, количество энергетических подуровней. Принимает значения от 0 до n – 1. Кроме числовых значений l имеет буквенные обозначения. Электроны с одинаковым значением l образуют подуровень.

В каждом квантовом уровне число подуровней строго ограничено и равно номеру слоя. Подуровни, как и энергетические уровни, нумеруются в порядке их удаления от ядра (табл. 26).