Концептуально-волновой дуализм

в зависимости  от цвета свет будет отклоняться  на различные углы от

первоначального изображения S`. 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 MN , 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.

    Описанные  опыты показывают, что для узкого  цветного пучка,

выделенного из спектра, показатель преломления  имеет вполне

определенное  значение, тогда как преломление  белого света можно только

приблизительно  охарактеризовать одним каким то значением этого

показателя. Сопоставляя подобные наблюдения, Ньютон сделал вывод, что

существуют  простые цвета, не разлагающиеся  при прохождении через

призму, и  сложные, представляющие совокупность простых, имеющих разные

показатели  преломления. В частности, солнечный  свет есть такая

совокупность  цветов, которая при помощи призмы разлагается, давая

спектральное  изображение щели.

    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.

    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.

 

 

                               Гипотеза Планка

 

    Стремясь  преодолеть затруднения классической  теории при объяснении

излучения нагретого  твёрдого тела, немецкий физик Макс Планк в 1900г.

высказал  гипотезу, которая положила начало подлинной эволюции в

теоретической физике. Смысл этой гипотезы заключается  в том, что запас

энергии колебательной  системы, находящейся в равновесии с

электромагнитным  излучением, не может принимать любые  значения.

Энергия элементарных систем, поглощающих и излучающих электромагнитные

волны, обязательно  должна быть равна целому кратному некоторого

определенного количества энергии.

    Минимальное  количество энергии, которое система  может поглотить

или излучить, называется квантом энергии. Энергия  кванта Е должна быть

пропорциональна частоте колебаний v:

 

                                    Е=hv.

    Коэффициент  пропорциональности h в этом выражении носит название

постоянной Планка. Постоянная Планка равна

    6,6261937.10-34 Дж. с

    Постоянную Планка иногда называют квантом действия. Заметим, что

размерность h совпадает с размерностью момента импульса.

    Исходя  из этой новой идеи, Планк получил  закон распределения

энергии в  спектре, хорошо согласующийся с экспериментальными данными.

Хорошее согласие теоретически предсказанного закона с  экспериментом

было основательным  подтверждением квантовой гипотезы Планка.

 

 

                            Открытие фотоэффекта

 

    Гипотеза  Планка о квантах послужила  основой для объяснения явления

фотоэлектрического  эффекта, открытого в 1887г. немецким физиком

Генрихом  Герцем.

    Явление  фотоэффекта обнаруживается при  освещении цинковой

пластины, соединенной  со стержнем электрометра. 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  ультрафиолетовое излучение. Этот опыт доказывает, что с

поверхности металлической пластины под действием  света могут

освобождаться  отрицательные электрические заряды. Измерение заряда и

массы частиц, вырываемых светом, показало, что эти  частицы –

электроны.

    Фотоэффекты  бывают нескольких видов: внешний  и внутренний

фотоэффект, вентильный фотоэффект и ряд других эффектов.

    Внешним  фотоэффектом называют явление  вырывания электронов из

вещества  под действием падающего на него света.

    Внутренним  фотоэффектом называют появление  свободных электронов и

дырок в полупроводнике в результате разрыва связей между  атомами за

счет энергии  света, падающего на полупроводник.

    Вентильным  фотоэффектом называют возникновение  под действием света

электродвижущей силы в системе, содержащей контакт  двух различных

полупроводников или полупроводника и металла.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Корпускулярно-волновая природа  света

 

    Явления интерференции,  дифракции, поляризации света  от обычных

источников света неопровержимо  свидетельствует о волновых свойствах

света. Однако и в этих явлениях при соответствующих условиях свет

проявляет корпускулярные свойства. В свою очередь закономерности

теплового излучения тел, фотоэлектрического эффекта и других

неоспоримо свидетельствуют, что свет ведет себя не как непрерывная,

протяженная волна, а как  поток «сгустков» (порций, квантов) энергии,

т.е. как поток частиц –  фотонов. Но при этих явлениях свет имеет и

волновые свойства, они  для этих явлений просто не существенны.

    Возникает вопрос, что представляет собой свет  – непрерывную

электромагнитную волну, излучаемую источником, или поток  дискретных

фотонов, испускаемых источником? Необходимость приписывать свету, с

одной стороны, квантовые, корпускулярные свойства, а с другой стороны,

волновые – может создать  впечатление несовершенства наших  знаний о

свойствах света. Необходимость пользоваться при объяснении

экспериментальных фактов различными и как будто бы исключающими друг

друга представлениями кажется  искусственной. Хочется думать, что  всё

многообразие оптических явлений можно объяснить на основе одной из

двух точек зрения на свойства света.

    Одним из наиболее  значительных достижений физики  нашего века

служит постепенное убеждение  в ошибочности попытки противопоставить

друг другу волновые и  квантовые свойства света. Свойства

непрерывности, характерные  для электромагнитного поля световой волны,

не исключают свойств  дискретности, характерные для световых квантов –

фотонов. Свет одновременно обладает свойствами непрерывных

электромагнитных волн и  свойствами дискретных фотонов. Он представляет

собой диалектическое единство этих противоположных свойств.

Электромагнитное излучение (свет) – это поток фотонов, распространение

и распределение которых в пространстве описывается уравнениями

электромагнитных волн. Таким  образом, свет имеет корпускулярно  –

волновую природу.

    Однако корпускулярно  – волновая природа света не  означает, что

свет – это и частица, и волна в привычном классическом их

представлении.

    Взаимосвязь корпускулярных  и волновых свойств света находит

простое истолкование при  статистическом (вероятном) подходе  к

рассмотрению распределения  и распространения фотонов в  пространстве.

 

1) Рассмотрим дифракцию  света, например, на круглом отверстии.

    Если  через  отверстие пропустить один фотон,  то на экране не будет

чередующихся светлых  и тёмных полос, как следовало  бы ожидать с

волновой точки зрения; фотон попадает в одну, ту или  иную, точку

экрана, а не расплывается по нему, как должно бы быть по волновым

представлениям. Но при этом нельзя фотон рассматривать как  частицу и

рассчитать, в какую именно точку он попадает, что можно бы сделать,

если бы фотон был классической частицей.

    Если пропустить  через отверстие N фотонов по  одному друг за

другом, разные фотоны могут  попасть  в разные точки экрана. Но в те

места, где согласно волновым представлениям должны быть светлые

полосы, фотоны будут попадать чаще.

    Если же через  отверстие пропустить все N фотонов  сразу, то в

каждой точке пространства и экрана оказывается столько  фотонов,

сколько попадало туда при  пропускании их по одному. Н о в этом случае

соответствующее число фотонов  в каждую точку экрана попадает

одновременно и, если N велико, на экране будет наблюдаться

дифракционная картина, ожидаемая  с точки зрения волновых

представлений.

    Например, для  темных интерференционных полос  квадрат амплитуды

колебания и плотность  вероятности попадания фотонов  минимальна, а для

светлых полос квадрат  амплитуды и плотность вероятности  максимальны.

    Таким образом,  если свет содержит очень большое  число фотонов, то

при дифракции его можно  рассматривать как непрерывную  волну, хотя он

состоит из дискретных не размытых фотонов.

2) В явлении внешнего  фотоэлектрического эффекта важно,  что каждый

  фотон сталкивается только с одним электроном (как частица с

  частицей) и поглощается  им, не делясь на части, как  целое, а не то,

  какой именно фотон в какой именно свободный электрон попадает (это

  определяется волновыми  свойствами) и выбивает его. Поэтому  при

  фотоэффекте свет как будто можно рассматривать как поток частиц.

     Корпускулярно  – волновая природа электромагнитного  излучения была

установлена именно для света потому, что обычный солнечный свет, с

которым мы имеем дело в повседневной жизни, с одной стороны,

представляет поток большого числа фотонов и четко проявляет  волновые

свойства, а с другой стороны, фотоны света имеют энергию, достаточную

для осуществления таких  эффектов, как фотоионизация,

фотолюминесценция, фотосинтез, фотоэффект, в которых определяющую роль

играют корпускулярные свойства. Фотоны же, соответствующие, например,

радиоволнам, имеют малую  энергию, и отдельные фотоны заметных действий

не оказывают, и регистрируемые радиоволны должны содержать много

фотонов и вести себя скорее как волны. Лучи же, возникающие при

радиоактивных распадах ядер и ядерных реакциях, имеют большую энергию,

их действие легко регистрируется, но поток большого числа фотонов

получается в специальных  условиях в ядерных реакторах. Поэтому ? -

лучи чаще проявляют себя как частицы, а не как волны.

    Итак, свет корпускулярен в том смысле, что его энергия, импульс,

масса и спин локализованы в фотонах, а не размыты в пространстве, но

не в том, что фотон  может находиться в данном точно  определенном месте

пространства. Свет ведет  себя как волна в том смысле, что

распространение и распределение  фотонов в пространстве носят  вероятный

характер: вероятность того, что фотон находится в данной точке

определяется квадратом  амплитуды в этой точке. Но вероятностный

(волновой) характер распределения  фотонов в пространстве не  означает,

что фотон в каждый момент времени находится в какой-то одной точке.

    Таким образом,  свет сочетает в себе непрерывность  волн и

дискретность частиц. Если учтем, что фотоны существуют только при

движении (со скоростью с), то приходим к выводу, что свету

одновременно присущи  как волновые, так и корпускулярные свойства. Но в

некоторых явлениях при определенных условиях основную роль играют или

волновые, или корпускулярные свойства и свет можно рассматривать  или

как волну, или как частицы (корпускулы).