Ce este dualitatea undă-particulă? Proprietățile corpusculare și ondulatorii ale particulelor. Principiul incertitudinii Mărimi fizice care caracterizează proprietățile corpusculare ale unei particule luminoase

Introducere 2

1. Proprietățile ondulatorii ale luminii 3

1.1 Varianta 3

1.2 Interferență 5

1.3 Difracția. Experiența lui Jung 6

1.4 Polarizare 8

2. Proprietățile cuantice ale luminii 9

2.1 Efect fotoelectric 9

2.2 Efectul Compton 10

Concluzie 11

Lista literaturii folosite 11

Introducere

Primele idei ale oamenilor de știință antici despre ce era lumina au fost foarte naive. Au fost mai multe puncte de vedere. Unii credeau că din ochi ies tentacule subțiri speciale și că apar impresii vizuale atunci când simt obiecte. Acest punct de vedere a avut un număr mare de adepți, printre care s-au numărat Euclid, Ptolemeu și mulți alți oameni de știință și filozofi. Alții, dimpotrivă, credeau că razele sunt emise de un corp luminos și, ajungând la ochiul uman, poartă amprenta obiectului luminos. Acest punct de vedere a fost susținut de Lucrețiu și Democrit.

În același timp, Euclid a formulat legea propagării rectilinie a luminii. El a scris: „Razele emise de ochi călătoresc pe o cale dreaptă”.

Cu toate acestea, mai târziu, deja în Evul Mediu, această idee despre natura luminii își pierde sensul. Sunt din ce în ce mai puțini oameni de știință care urmează aceste opinii. Și până la începutul secolului al XVII-lea. aceste puncte de vedere pot fi considerate deja uitate.

În secolul al XVII-lea, aproape simultan, au apărut două teorii complet diferite și au început să se dezvolte despre ce este lumina și care este natura ei.

Una dintre aceste teorii este asociată cu numele lui Newton, iar cealaltă cu numele lui Huygens.

Newton a aderat la așa-numita teorie corpusculară a luminii, conform căreia lumina este un flux de particule care provine dintr-o sursă în toate direcțiile (transferul de materie).

Conform ideilor lui Huygens, lumina este un flux de unde care se propagă într-un mediu special, ipotetic, eterul, umplând tot spațiul și pătrunzând în toate corpurile.

Ambele teorii au existat în paralel de multă vreme. Niciunul dintre ei nu a putut câștiga o victorie decisivă. Numai autoritatea lui Newton i-a forțat pe majoritatea oamenilor de știință să acorde preferință teoriei corpusculare. Legile propagării luminii, cunoscute la acea vreme din experiență, au fost explicate mai mult sau mai puțin cu succes de ambele teorii.

Pe baza teoriei corpusculare, a fost dificil de explicat de ce fasciculele de lumină, care se intersectează în spațiu, nu acționează unele asupra altora. La urma urmei, particulele de lumină trebuie să se ciocnească și să se împrăștie.

Teoria undelor a explicat cu ușurință acest lucru. Valurile, de exemplu la suprafața apei, trec liber unele prin altele, fără a exercita o influență reciprocă.

Cu toate acestea, propagarea rectilinie a luminii, care duce la formarea de umbre ascuțite în spatele obiectelor, este dificil de explicat pe baza teoriei undelor. Cu teoria corpusculară, propagarea rectilinie a luminii este pur și simplu o consecință a legii inerției.

Această poziție incertă cu privire la natura luminii a persistat până la începutul secolului al XIX-lea, când au fost descoperite fenomenele de difracție a luminii (îndoirea luminii în jurul obstacolelor) și interferența luminii (creșterea sau slăbirea iluminării atunci când fasciculele luminoase se suprapun între ele). Aceste fenomene sunt inerente exclusiv mișcării ondulatorii. Ele nu pot fi explicate folosind teoria corpusculară. Prin urmare, părea că teoria valului a câștigat o victorie finală și completă.

Această încredere a fost întărită mai ales când Maxwell a arătat în a doua jumătate a secolului al XIX-lea că lumina este un caz special de unde electromagnetice. Lucrarea lui Maxwell a pus bazele teoriei electromagnetice a luminii.

După descoperirea experimentală a undelor electromagnetice de către Hertz, nu a existat nicio îndoială că atunci când lumina se propagă, se comportă ca o undă.

Cu toate acestea, la începutul secolului al XIX-lea, ideile despre natura luminii au început să se schimbe radical. În mod neașteptat, s-a dovedit că teoria corpusculară respinsă era încă legată de realitate.

Când este emisă și absorbită, lumina se comportă ca un flux de particule.

Au fost descoperite proprietățile discontinue, sau după cum se spune, cuantice, ale luminii. A apărut o situație neobișnuită: fenomenele de interferență și difracție pot fi încă explicate considerând lumina ca o undă, iar fenomenele de emisie și absorbție, considerând lumina ca un flux de particule. În anii 30 ai secolului XX, aceste două idei aparent incompatibile despre natura luminii au putut fi unite într-o manieră consistentă într-o nouă teorie fizică remarcabilă, electrodinamica cuantică.

1. Proprietățile ondulatorii ale luminii

1.1 Varianta

În timp ce a îmbunătățit telescoapele, Newton a observat că imaginea produsă de lentilă era colorată la margini. El a devenit interesat de acest lucru și a fost primul care a explorat varietatea razelor de lumină și caracteristicile rezultate ale culorilor, pe care nimeni nu le-a văzut până acum (cuvintele din inscripția de pe mormântul lui Newton a fost extraordinar de simplu). Newton a ghicit că va direcționa un fascicul de lumină cu secțiune transversală mică către o prismă. Un fascicul de lumină a soarelui a pătruns în încăperea întunecată printr-o mică gaură din oblon. Căzând pe o prismă de sticlă, aceasta a fost refractată și a dat o imagine alungită cu o alternanță de culori curcubeu pe peretele opus. Urmând tradiția de secole, conform căreia curcubeul era considerat a fi format din șapte culori primare, Newton a identificat și șapte culori: violet, albastru, cyan, verde, galben, portocaliu și roșu. Newton a numit banda curcubeului un spectru.

Acoperând gaura cu sticlă roșie, Newton a observat doar o pată roșie pe perete, acoperind-o cu albastru-albastru etc. De aici rezultă că nu prisma a colorat lumina albă, așa cum se credea anterior. Prisma nu își schimbă culoarea, ci doar o descompune în părțile sale componente. Lumina albă are o structură complexă. Este posibil să izolați de el ciorchini de diferite culori și doar acțiunea lor combinată ne dă impresia de culoare albă. De fapt, dacă folosiți o a doua prismă rotită cu 180 de grade față de prima. Colectați toate fasciculele spectrului, apoi veți obține din nou lumină albă. După ce am izolat orice parte a spectrului, de exemplu verde, și am forțat lumina să treacă printr-o altă prismă, nu vom mai obține o schimbare suplimentară de culoare.

O altă concluzie importantă la care a ajuns Newton a fost formulată de el în tratatul său de optică după cum urmează: Fasciculele de lumină care diferă ca culoare diferă în gradul de refracție razele violete sunt refractate cel mai puternic, cele roșii mai puțin decât altele. Dependența indicelui de refracție al luminii de culoarea sa se numește dispersie (de la cuvântul latin Dispergo - împrăștiere).

Newton și-a îmbunătățit ulterior observațiile asupra spectrului pentru a obține culori mai pure. La urma urmei, petele rotunde colorate ale fasciculului de lumină care treceau prin prismă s-au suprapus parțial unele pe altele. În loc de o gaură rotundă, a fost folosită o fantă îngustă (A), iluminată de o sursă luminoasă. În spatele fantei era o lentilă (B), dând o imagine pe ecran (D) sub forma unei dungi albe înguste. Dacă o prismă (C) este plasată în calea razelor, imaginea fantei va fi întinsă într-un spectru, o dungă colorată, tranziții de culoare în care de la roșu la violet sunt similare cu cele observate într-un curcubeu. Experimentul lui Newton este prezentat în Fig. 1

Dacă acoperiți golul cu sticlă colorată, de exemplu. dacă direcționați lumină colorată în loc de lumină albă către prismă, imaginea fantei se va reduce la un dreptunghi colorat situat în locul corespunzător din spectru, adică. În funcție de culoare, lumina se va abate în unghiuri diferite față de imaginea originală. Observațiile descrise arată că razele de culori diferite sunt refractate diferit de o prismă.

Newton a verificat această concluzie importantă prin multe experimente. Cel mai important dintre ele a fost determinarea indicelui de refracție al razelor de diferite culori izolate din spectru. În acest scop s-a tăiat o gaură în ecranul pe care se obține spectrul; Prin mutarea ecranului, a fost posibil să elibereze un fascicul îngust de raze de o culoare sau alta prin gaură. Această metodă de izolare a razelor uniforme este mai avansată decât izolarea folosind sticlă colorată. Experimentele au descoperit că un astfel de fascicul separat, refractat într-o a doua prismă, nu mai întinde banda. Un astfel de fascicul corespunde unui anumit indice de refracție, a cărui valoare depinde de culoarea fasciculului selectat.

Astfel, principalele experimente ale lui Newton au cuprins două descoperiri importante:

1. Lumina de diferite culori se caracterizează prin indici diferiți de refracție într-o anumită substanță (dispersie).

2. Culoarea albă este o colecție de culori simple.

Știind că lumina albă are o structură complexă, putem explica varietatea uimitoare de culori din natură. Dacă un obiect, de exemplu o foaie de hârtie, reflectă toate razele de diferite culori care cad pe el, atunci va apărea alb. Prin acoperirea hârtiei cu un strat de vopsea, nu creăm o nouă culoare de lumină, ci păstrăm o parte din lumina existentă pe foaie. Acum doar razele roșii vor fi reflectate, restul vor fi absorbite de stratul de vopsea. Iarba și frunzele copacilor ni se par verzi din cauza tuturor razelor soarelui care cad asupra lor, le reflectă doar pe cele verzi, absorbind restul. Dacă priviți iarba prin sticlă roșie, care transmite doar raze roșii, aceasta va apărea aproape neagră.

Acum știm că diferite culori corespund diferitelor lungimi de undă ale luminii. Prin urmare, prima descoperire a lui Newton poate fi formulată astfel: indicele de refracție al unei substanțe depinde de lungimea de undă a luminii. De obicei crește pe măsură ce lungimea de undă scade.

1.2 Interferență

Interferența luminii a fost observată de foarte mult timp, dar nu au fost conștienți de aceasta. Mulți oameni au văzut un model de interferență atunci când, în copilărie, se distrau suflând bule de săpun sau privind

30.12.2015. 14:00

Mulți care încep să învețe fizica atât în ​​școală, cât și în învățământul superior, mai devreme sau mai târziu se confruntă cu întrebări legate de lumină. În primul rând, ceea ce nu îmi place cel mai mult la fizica pe care o cunoaștem astăzi. Așadar, aceasta este interpretarea unor concepte, cu o expresie facială absolut calmă și fără atenție la alte fenomene și efecte. Adică cu ajutorul unor legi sau reguli încearcă să explice anumite fenomene, dar în același timp încearcă să nu sesizeze efecte care contrazic această explicație. Acesta este deja un fel de regulă pentru efectuarea interpretării - Ei bine, ce zici de asta și asta? Dragă, ascultă, vorbim despre altceva acum, doar nu fi atent. La urma urmei, în cadrul acestei întrebări, totul bate? Ei bine, e frumos.

Următoarea „Pisica lui Schrödinger” pentru orice cunoaștere este KVD (dualism particule-undă). Când starea unui foton (particulă de lumină) sau a unui electron poate fi descrisă atât prin efecte de undă, cât și corpusculare (particule). În ceea ce privește fenomenele care indică proprietățile undei ale materiei, totul este mai mult sau mai puțin clar, cu excepția unui singur lucru - mediul în care este transmisă aceeași undă. Dar în ceea ce privește proprietățile corpusculare și în special prezența unor astfel de „particule” de lumină precum fotonii, am multe îndoieli.

De unde au știut oamenii că lumina are o natură ondulatorie? Ei bine, acest lucru a fost facilitat de efectele deschise și experimentele cu lumina zilei. De exemplu, un astfel de concept precum spectrul luminii (spectrul vizibil al luminii) unde, în funcție de lungimea de undă și, în consecință, de frecvență, culoarea spectrului se schimbă de la roșu la violet, ceea ce vedem cu ochii noștri imperfecți. Tot ceea ce este în spatele și în fața lui aparține radiațiilor infraroșii, radio, ultraviolete, gamma și așa mai departe.

Observați cum imaginea de mai sus arată spectrul radiațiilor electromagnetice. În funcție de frecvența undei unei manifestări electromagnetice, aceasta poate fi fie radiație gamma, fie lumină vizibilă și nu numai, de exemplu, poate fi chiar și o undă radio. Dar ceea ce este cel mai surprinzător în toate acestea este că numai spectrului vizibil al luminii, atât de nesemnificativ în întregul interval de frecvență, dintr-un motiv oarecare, BRUT și numai exclusiv, i se atribuie proprietățile particulelor - fotoni. Din anumite motive, numai spectrul vizibil prezintă proprietăți corpusculare. Nu veți auzi niciodată despre proprietățile corpusculare ale undelor radio sau, să zicem, radiațiile gamma, aceste vibrații nu prezintă proprietăți corpusculare. Conceptul de „cuantum gamma” este aplicat doar parțial radiațiilor gamma, dar vom vorbi despre asta mai târziu.

Și ce fenomene sau efecte reale confirmă prezența, chiar dacă doar a spectrului vizibil al luminii, a proprietăților corpusculare? Și de aici începe cel mai uimitor lucru.

Potrivit științei oficiale, proprietățile corpusculare ale luminii sunt confirmate de două efecte binecunoscute. Pentru descoperirea și explicarea acestor efecte, premiile Nobel pentru fizică au fost acordate lui Albert Einstein (efect foto) și Arthur Compton (efect Compton). Este demn de remarcat întrebarea - de ce efectul foto nu este numit după Albert Einstein, deoarece pentru aceasta a primit Premiul Nobel? Și totul este foarte simplu, acest efect a fost descoperit nu de el, ci de un alt om de știință talentat (Alexandre Becquerel 1839), Einstein a explicat doar efectul.

Să începem cu efectul foto. Unde, potrivit fizicienilor, există confirmarea că lumina are proprietăți corpusculare?

Efectul foto este un fenomen datorită căruia electronii sunt emiși de o substanță atunci când este expusă la lumină sau la orice altă radiație electromagnetică. Cu alte cuvinte, lumina este absorbită de materie și energia ei este transferată către electroni, făcându-i să se miște într-o manieră ordonată, transformându-se astfel în energie electrică.

De fapt, nu este clar cum fizicienii au ajuns la concluzia că așa-numitul foton este o particulă, deoarece în fenomenul efectului fotoelectric se stabilește că electronii zboară pentru a se întâlni cu fotonii. Acest fapt dă o idee despre interpretarea incorectă a fenomenului efectului foto, deoarece este una dintre condițiile pentru apariția acestui efect. Dar, potrivit fizicienilor, acest efect arată că un foton este o particulă numai datorită faptului că este complet absorbit și, de asemenea, datorită faptului că eliberarea electronilor nu depinde de intensitatea iradierii, ci doar de frecvența așa-numitul foton. Acesta este motivul pentru care s-a născut conceptul de cuantum sau corpuscul de lumină. Dar aici ar trebui să ne concentrăm asupra a ceea ce este „intensitatea” în acest caz particular. La urma urmei, panourile solare produc în continuare mai multă electricitate atunci când cantitatea de lumină incidentă pe suprafața fotocelulei crește. De exemplu, când vorbim despre intensitatea sunetului, ne referim la amplitudinea vibrațiilor acestuia. Cu cât amplitudinea este mai mare, cu atât energia transportată de unda acustică este mai mare și puterea necesară pentru a crea o astfel de undă este mai mare. În cazul luminii, un astfel de concept este complet absent. Conform înțelegerii de astăzi a fizicii, lumina are o frecvență, dar nu are amplitudine. Ceea ce ridică din nou o mulțime de întrebări. De exemplu, o undă radio are caracteristici de amplitudine, dar lumina vizibilă, ale cărei unde sunt, să zicem, puțin mai scurte decât undele radio, nu are amplitudine. Toate acestea descrise mai sus spun doar că un astfel de concept ca un foton este, ca să-l spunem ușor, vag, iar toate fenomenele care indică existența sa ca interpretare nu rezistă criticilor. Sau pur și simplu sunt inventate în sprijinul unei ipoteze că acesta este cel mai probabil cazul.

În ceea ce privește împrăștierea luminii Compton (efectul Compoton), nu este deloc clar cum, pe baza acestui efect, se ajunge la concluzia că lumina este o particulă și nu o undă.

În general, de fapt, astăzi fizica nu are o confirmare concretă că particula fotonică este completă și că există în principiu sub forma unei particule. Există un anumit cuantic care se caracterizează printr-un gradient de frecvență și nimic mai mult. Și ceea ce este cel mai interesant este că dimensiunile (lungimea) acestui foton, conform E=hv, pot fi de la câteva zeci de microni până la câțiva kilometri. Și toate acestea nu derutează pe nimeni atunci când se folosește cuvântul „particulă” pentru a se referi la un foton.

De exemplu, un laser femtosecunde cu o lungime a impulsului de 100 femtosecunde are o lungime a impulsului (foton) de 30 de microni. Pentru referință, într-un cristal transparent distanța dintre atomi este de aproximativ 3 angstromi. Ei bine, cum poate un foton a cărui magnitudine este de câteva ori mai mare decât această distanță să zboare de la atom la atom?

Dar astăzi fizica nu ezită să opereze cu conceptul de cuantum, foton sau particule în raport cu lumina. Pur și simplu nu acordați atenție faptului că nu se încadrează în modelul standard care descrie materia și legile după care există.

Principalele caracteristici ale luminii ca proces ondulatoriu sunt frecvența n și lungimea de undă l. Proprietățile corpusculare ale luminii sunt caracterizate de fotoni. Fiecare foton are energie

e f = hn, (5.1)

și impuls

. (5.3)

Formula (5.3) stabilește legătura dintre undă și proprietățile corpusculare ale luminii.

În acest sens, a apărut presupunerea că natura duală este inerentă nu numai luminii, ci și particulelor de materie, în special electronul. În 1924, Louis de Broglie a propus următoarea ipoteză: un proces de undă este asociat cu un electron, a cărui lungime de undă este egală cu

unde h = 6,63 × 10 –34 J×s este constanta lui Planck, m este masa electronilor, v este viteza electronilor.

Calculele au arătat că lungimea de undă asociată cu un electron în mișcare este de același ordin cu lungimea de undă a razelor X (10 –10 ¸ 10 –13 m).

Din formula lui de Broglie (5.4) este clar că proprietățile de undă ale particulelor sunt semnificative numai în acele cazuri în care valoarea constantei lui Planck h nu poate fi neglijată. Dacă, în condițiile acestei probleme, putem presupune că h ® 0, atunci atât l®0, cât și proprietățile de undă ale particulelor pot fi neglijate.

5.2. Fundamentarea experimentală a dualismului unde corpusculare

Ipoteza lui De Broglie a primit confirmare experimentală în experimentele lui K. Davisson și L. Germer (1927), P.S. Tartakovsky (1927), L.M. Biberman, N.G. Sushkin și V.A. Fabricant (1949), etc.

În experimentele lui Davisson și Germer (Fig. 5.1), electronii dintr-un tun de electroni au fost direcționați într-un fascicul îngust către un cristal de nichel, a cărui structură este bine cunoscută.

Fig.5.1. Diagrama experimentului Davisson și Germer

Electronii reflectați de la suprafața cristalului au intrat într-un receptor conectat la un galvanometru. Receptorul s-a deplasat de-a lungul unui arc și a prins electroni reflectați în unghiuri diferite. Cu cât mai mulți electroni lovesc receptorul, cu atât curentul a fost înregistrat de galvanometru.

S-a dovedit că pentru un unghi dat de incidență a fasciculului de electroni și o modificare a diferenței de potențial U care accelerează electronii, curentul I nu s-a modificat monoton, ci a avut o serie de maxime (Fig. 5.2).

Fig.5.2. Dependența puterii curentului de diferența de potențial de accelerare în experimentele lui Davisson și Germer

Graficul rezultat sugerează că reflexia electronilor nu are loc la orice, ci la valori strict definite ale lui U, adică. la viteze v ale electronilor strict definite. Această dependență ar putea fi explicată doar pe baza ideilor despre undele electronice.

Pentru a face acest lucru, exprimăm viteza electronului în termeni de tensiune de accelerație:

și găsiți lungimea de undă de Broglie a electronului:

(5.6)

Pentru undele de electroni reflectate de un cristal, precum și pentru razele X, condiția Wulff-Bragg trebuie îndeplinită:

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

unde d este constanta rețelei cristaline, q este unghiul dintre fasciculul incident și suprafața cristalului.

Înlocuind (5.6) în (5.7), găsim acele valori ale tensiunii de accelerare care corespund reflexiei maxime și, prin urmare, curentului maxim prin galvanometru:

(5.8)

Valorile U calculate folosind această formulă la q=const sunt în acord excelent cu rezultatele experimentale ale lui Davisson și Germer.

În experimentele lui P.S. Cristalul Tartakovsky a fost înlocuit cu o peliculă subțire cu o structură policristalină (Fig. 5.3).

Fig.5.3. Schema experimentelor P.S. Tartakovski

Electronii împrăștiați de film au produs cercuri de difracție pe ecran. O imagine similară a fost observată atunci când razele X au fost împrăștiate de policristale. Din diametrele cercurilor de difracție se poate determina lungimea de undă de Broglie l a electronilor. Dacă l este cunoscut, atunci modelul de difracție ne permite să judecăm structura cristalului. Această metodă de studiere a structurii se numește electronografie.

L.M. Biberman, N.G. Sushkin și V.A. Producătorul a efectuat experimente privind difracția unor electroni unici, zburători alternativ. Electronii individuali lovesc diferite puncte de pe ecran, aparent împrăștiați aleatoriu. Cu toate acestea, la împrăștierea unui număr mare de electroni, s-a descoperit că punctele în care electronii lovesc ecranul sunt distribuite în așa fel încât formează maxime și minime, adică. cu o expunere lungă, s-a obținut același model de difracție ca cel produs de un fascicul de electroni. Acest lucru indică faptul că fiecare electron individual are proprietăți de undă.

Fenomenele de difracție au fost observate în experimente nu numai cu electroni, ci și cu protoni, neutroni, fascicule atomice și moleculare.

Proprietățile valurilor. Un contemporan al lui Isaac Newton, fizicianul olandez Christiaan Huygens, nu a respins existența corpusculilor, ci a crezut că aceștia nu sunt emiși de corpurile luminoase, ci umplu tot spațiul. Huygens a prezentat procesul de propagare a luminii nu ca o mișcare de translație, ci ca un proces secvenţial de transfer al impactului unui corpuscul la altul.

Susținătorii lui Huygens și-au exprimat opinia că lumina este o vibrație care se propagă într-un mediu special - „eterul”, care umple tot spațiul cosmic și care pătrunde liber în toate corpurile. Excitația luminii de la o sursă de lumină este transmisă de eter în toate direcțiile.

Așa au apărut primele idei despre natura luminii. Valoarea principală a teoriei ondulatorii inițiale a luminii este principiul formulat inițial de Huygens și apoi dezvoltat de Fresnel. Principiul Huygens-Fresnel afirmă că fiecare mugure care a primit excitație luminoasă, la rândul său, devine centrul undelor secundare și le transmite în toate direcțiile mugurilor vecini.

Proprietățile ondulatorii ale luminii se manifestă cel mai clar în fenomenele de interferență și difracție.

Interferența luminii constă în faptul că atunci când două valuri sunt prezente reciproc, vibrațiile pot fi întărite sau slăbite. Principiul interferenței a fost descoperit în 1801 de englezul Thomas Young (1773-1829), medic de profesie. Jung a efectuat experimentul acum clasic cu două găuri. Două găuri distanțate apropiate au fost străpunse pe ecran cu vârful unui știft, care au fost iluminate de lumina soarelui dintr-o mică gaură din fereastra cu perdele. În loc de două tonuri strălucitoare, în spatele ecranului s-a observat o serie de inele întunecate și luminoase alternante.

O condiție necesară pentru observarea modelului de interferență este coerența undei (apariția coordonată a proceselor oscilatorii sau ondulatorii).

Fenomenul de interferență este utilizat pe scară largă în dispozitive - interferometre, cu ajutorul cărora se efectuează diverse măsurători precise și se monitorizează curățenia tratării suprafeței pieselor, precum și multe alte operațiuni de control.

În 1818, Fresnel a prezentat o lucrare extinsă despre difracția luminii la un concurs la Academia de Științe din Paris. Având în vedere acest raport, A. Poisson (1781-1840) a ajuns la concluzia că, conform teoriei propuse de Fresnel, în anumite condiții, în centrul modelului de difracție de la un obstacol rotund opac pe calea luminii ar trebui să existe un punct de lumină, nu o umbră. A fost o concluzie uluitoare. D. F. Arago (1786-1853) a efectuat imediat un experiment, iar calculele lui Poisson au fost confirmate. Astfel, concluzia făcută de Poisson, care era în exterior în contradicție cu teoria lui Fresnel, s-a transformat, cu ajutorul experimentului lui Arago, într-una dintre dovezile validității sale și, de asemenea, a pus bazele recunoașterii naturii ondulatorii a luminii.

Fenomenul de abatere a luminii de la direcția rectilinie de propagare se numește difracție.

Multe instrumente optice se bazează pe fenomenul de difracție. În special, difracția cu raze X este utilizată în echipamentele cristalografice.

Natura ondulatorie a luminii și natura transversală a undelor luminoase este, de asemenea, dovedită de fenomen polarizare. Esența polarizării este demonstrată clar printr-un experiment simplu: atunci când lumina trece prin două cristale transparente, intensitatea acesteia depinde de orientarea relativă a cristalelor. Cu aceeași orientare, lumina trece fără atenuare. Când unul dintre cristale este rotit cu 90°, lumina este complet stinsă, adică. nu trece prin cristale.

Natura ondulatorie a luminii este confirmată și de fenomenul de dispersie a luminii. Un fascicul paralel îngust de lumină albă, când trece printr-o prismă de sticlă, este descompus în fascicule de lumină de diferite culori. Banda colorată se numește spectru continuu. Dependența vitezei de propagare a luminii într-un mediu de lungimea de undă se numește dispersie a luminii. Dispersia a fost descoperită de I. Newton.

Descompunerea luminii albe se explică prin faptul că aceasta constă din unde electromagnetice cu lungimi de undă diferite iar indicele de refracție depinde de lungimea de undă. Cea mai mare valoare a indicelui de refracție este pentru lumina cu cea mai scurtă lungime de undă - violet, iar cea mai mică pentru lumina cu cea mai lungă lungime de undă - roșu. Experimentele au arătat că în vid viteza luminii este aceeași pentru lumina de orice lungime de undă.

Studiul fenomenelor de difracție, interferență, polarizare și dispersie a luminii a condus la stabilirea teoriei ondulatorii a luminii.

Proprietățile cuantice ale luminii.În 1887, G. Hertz, la iluminarea unei plăci de zinc conectată la o tijă de electrometru, a descoperit fenomenul efectului fotoelectric. Dacă o sarcină pozitivă este transferată pe placă și tijă, atunci electrometrul nu se descarcă atunci când placa este iluminată. Prin conferirea unei sarcini electrice negative plăcii, electrometrul se descarcă de îndată ce radiația lovește placa. Acest experiment demonstrează că sarcinile centrice negative sunt ejectate de pe suprafața unei plăci de metal sub influența luminii. Măsurarea sarcinii și masei particulelor ejectate de lumină a arătat că aceste particule erau electroni. Fenomenul de emisie de electroni de către o substanță sub influența radiației electromagnetice se numește efect fotoelectric.

Modelele cantitative ale efectului fotoelectric au fost stabilite în 1888-1889. Fizicianul rus A.G. Stoletov (1839-1896).

Nu a fost posibil să se explice legile de bază ale efectului fotoelectric pe baza teoriei electromagnetice a luminii. Teoria electromagnetică a luminii nu a putut explica independența energiei fotoelectronilor față de intensitatea radiației luminoase, existența limitei roșii a efectului fotoelectric, proporționalitatea energiei cinetice a fotoelectronilor cu frecvența luminii.

Teoria electromagnetică a lui Maxwell și teoria electronică a lui Lorentz, în ciuda succeselor lor enorme, erau oarecum contradictorii și s-au întâmpinat o serie de dificultăți în aplicarea lor. Ambele teorii s-au bazat pe ipoteza eterului, doar „eterul elastic” a fost înlocuit cu „eterul electromagnetic” (teoria lui Maxwell) sau „eterul fix” (teoria lui Lorentz). Teoria lui Maxwell nu a putut explica procesele de emisie și absorbție a luminii, efectul fotoelectric, împrăștierea Compton etc. Teoria lui Lorentz, la rândul său, nu a putut explica multe fenomene asociate cu interacțiunea luminii cu materia, în special problema distribuției. de energie pe lungimi de undă în timpul radiației termice a corpului absolut negru.

Dificultățile și contradicțiile enumerate au fost depășite grație ipotezei îndrăznețe exprimată în 1900 de fizicianul german M. Planck, potrivit căreia Emisia de lumină nu are loc continuu, ci discret, adică în anumite porțiuni (cuante), a căror energie este determinată de frecvența n:

Unde h- Constanta lui Planck.

Teoria lui Planck nu are nevoie de conceptul de eter. Ea a explicat radiația termică a corpului negru.

A. Einstein creat în 1905 teoria cuantică a luminii: nu numai emisia de lumină, ci și propagarea acesteia are loc sub formă fluxul de quante de lumină - fotoni, a cărei energie este determinată de formula Planck de mai sus și impulsul

unde l este lungimea de undă.

Proprietățile cuantice ale undelor electromagnetice se manifestă cel mai pe deplin în Efectul Compton: Când radiația monocromatică de raze X este împrăștiată de o substanță cu atomi de lumină în radiația împrăștiată, împreună cu radiația caracterizată de lungimea de undă inițială, se observă radiația cu o lungime de undă mai mare.

Ideile cuantice despre lumină sunt în acord cu legile radiației și absorbției luminii, legile interacțiunii, radiația cu materia. Fenomenele bine studiate, cum ar fi interferența, difracția și polarizarea luminii sunt bine explicate în termeni de concepte de undă. Întreaga varietate de proprietăți studiate și legile de propagare a luminii, interacțiunea ei cu materia arată că lumina are o natură complexă: este o unitate de proprietăți opuse - corpusculară (cuantică) și undă (electromagnetică). Un drum lung de dezvoltare a dus la idei moderne despre natura corpusculară duală a luminii. Expresiile de mai sus conectează caracteristicile corpusculare ale radiației - masa și energia cuantii - cu caracteristicile undei - frecvența de oscilație și lungimea de undă. Prin urmare, lumina reprezintă unitatea discretității și continuității.

Întrebări de autotest

Întrebarea 1. Numiți cea mai importantă sarcină a științei naturii.

1. educativ

2. ideologic

3. teleologice

4. crearea unei imagini din știința naturii a lumii

Întrebarea 2. Numiți cele mai generale, importante concepte fundamentale ale descrierii fizice a naturii.

1. materie

2. mişcare

3. spațiu

Întrebarea 3. Numiți o categorie filozofică care să desemneze realitatea obiectivă, care este reflectată de senzațiile noastre, existând independent de acestea.

1. constiinta

2. afişaj

3. materie

Caracterizarea stării electronilor dintr-un atom se bazează pe poziția mecanicii cuantice despre natura duală a electronului, care are simultan proprietățile unei particule și ale unei unde.

Pentru prima dată, natura dublă particule-undă a fost stabilită pentru lumină. Studiile unui număr de fenomene (radiații din corpuri fierbinți, efect fotoelectric, spectre atomice) au condus la concluzia că energia este emisă și absorbită nu continuu, ci discret, în porțiuni separate (quanta). Presupunerea cuantizării energiei a fost făcută pentru prima dată de Max Planck (1900) și fundamentată de Albert Einstein (1905): energia cuantică (∆E) depinde de frecvența radiației (ν):

∆E = hν, unde h = 6,63·10 -34 J·s – constanta lui Planck.

Echivalând energia fotonului hν cu energia sa totală mс 2 și ținând cont de faptul că ν = с/λ, obținem o relație care exprimă relația dintre proprietățile undă și corpusculare ale fotonului:

În 1924 Louis de Broglie a sugerat că natura dublă a undelor corpusculare este inerentă nu numai radiației, ci și oricărei particule materiale: fiecare particulă având masa (m) și care se mișcă cu viteza (υ) corespunde unui proces de undă cu lungimea de undă λ:

λ = h / m v (55)

Cu cât masa particulelor este mai mică, cu atât lungimea de undă este mai mare. Prin urmare, este dificil de detectat proprietățile de undă ale macroparticulelor.

În 1927, oamenii de știință americani Davisson și Germer, englezul Thomson și omul de știință sovietic Tartakovsky au descoperit în mod independent difracția electronilor, care a fost o confirmare experimentală a proprietăților undei electronilor. Mai târziu, a fost descoperită difracția (interferența) particulelor α, neutronilor, protonilor, atomilor și chiar moleculelor. În prezent, difracția electronilor este folosită pentru a studia structura materiei.

Unul dintre principiile mecanicii ondulatorii constă în proprietățile undei ale particulelor elementare: principiul incertitudinii (W. Heisenberg 1925): pentru corpurile mici la scară atomică este imposibil să se determine simultan cu exactitate poziția unei particule în spațiu și viteza acesteia (impulsul). Cu cât sunt determinate mai precis coordonatele unei particule, cu atât viteza acesteia devine mai puțin sigură și invers. Relația de incertitudine are forma:

unde ∆х este incertitudinea în poziția particulei, ∆Р x este incertitudinea în mărimea impulsului sau vitezei în direcția x. Relații similare sunt scrise pentru coordonatele y și z. Cantitatea ℏ inclusă în relația de incertitudine este foarte mică, prin urmare pentru macroparticule incertitudinile în valorile coordonatelor și momentelor sunt neglijabile.

În consecință, este imposibil să se calculeze traiectoria unui electron în câmpul unui nucleu se poate doar estima probabilitatea prezenței acestuia în atom; funcția de undă ψ, care înlocuiește conceptul clasic de traiectorie. Funcția de undă ψ caracterizează amplitudinea undei în funcție de coordonatele electronului, iar pătratul său ψ 2 determină distribuția spațială a electronului în atom. În cea mai simplă versiune, funcția de undă depinde de trei coordonate spațiale și face posibilă determinarea probabilității de a găsi un electron în spațiul atomic sau a acestuia. orbital . Prin urmare, orbital atomic (AO) este regiunea spațiului atomic în care probabilitatea de a găsi un electron este cea mai mare.

Funcțiile de undă sunt obținute prin rezolvarea relației fundamentale a mecanicii ondulatorii - ecuațiiSchrödinger (1926) :

(57)

unde h este constanta lui Planck, este o valoare variabilă, U este energia potențială a particulei, E este energia totală a particulei, x, y, z sunt coordonatele.

Astfel, cuantificarea energiei microsistemului rezultă direct din soluția ecuației de undă. Funcția de undă caracterizează complet starea electronului.

Funcția de undă a unui sistem este o funcție a stării sistemului, al cărui pătrat este egal cu densitatea probabilității de a găsi electroni în fiecare punct din spațiu. Trebuie să îndeplinească condiții standard: să fie continuu, finit, lipsit de ambiguitate și să dispară acolo unde nu există electron.

Se obține o soluție exactă pentru atomul de hidrogen sau pentru ionii de tip hidrogen sunt utilizate diverse aproximări; Suprafața care limitează probabilitatea de a găsi un electron sau o densitate electronică la 90–95% se numește suprafață de limită. Orbitul atomic și densitatea norilor de electroni au aceeași suprafață de limită (formă) și aceeași orientare spațială. Orbitalii atomici ai unui electron, energia și direcția lor în spațiu depind de patru parametri - numere cuantice : principal, orbital, magnetic și spin. Primele trei caracterizează mișcarea unui electron în spațiu, iar al patrulea - în jurul propriei axe.

Număr cuanticn – Lucrul principal . Determină nivelul de energie al unui electron dintr-un atom, distanța nivelului de la nucleu și dimensiunea norului de electroni. Acceptă valori întregi de la 1 la ∞ și corespunde numărului perioadei. Din tabelul periodic pentru orice element, după numărul perioadei, puteți determina numărul de niveluri de energie ale atomului și care nivel de energie este cel exterior. Cu atât mai mult n, cu atât energia de interacțiune dintre electron și nucleu este mai mare. La n= 1 atom de hidrogen este în starea fundamentală, la n> 1 – entuziasmat. Dacă n∞, atunci electronul a părăsit volumul atomic. Ionizarea atomului a avut loc.

De exemplu, elementul cadmiu Cd este situat în perioada a cincea, ceea ce înseamnă n=5. În atomul său, electronii sunt distribuiți pe cinci niveluri de energie (n = 1, n = 2, n = 3, n = 4, n = 5); al cincilea nivel va fi extern (n = 5).

Întrucât electronul are, împreună cu proprietățile unei unde și cu proprietățile unei particule materiale, acesta, având o masă m, o viteză de mișcare V și fiind la distanță de nucleul r, are un moment unghiular: μ = mVr.

Momentul este a doua caracteristică (după energie) a unui electron și este exprimată printr-un număr cuantic secundar (azimutal, orbital).

Numărul cuantic orbitall- determină forma norului de electroni (Fig. 7), energia electronului la subnivel și numărul de subniveluri energetice. Acceptă valori de la 0 la n– 1. Cu excepția valorilor numerice l are denumiri de litere. Electroni cu aceeași valoare l formează un subnivel.

În fiecare nivel cuantic, numărul de subniveluri este strict limitat și egal cu numărul stratului. Subnivelurile, ca și nivelurile de energie, sunt numerotate în ordinea distanței lor de la nucleu (Tabelul 26).