Квантова природа світла
Квантова природа світла. Хвильові властивості світла, обна? ружіваемие в явищах інтерференції і дифракції, і корпуск? лярні властивості світла, які проявляються при фотоефекті і еф? фекта Комптона, здаються взаємно виключають одна одну. Однак такі протиріччя існували лише в класичне? ської фізики. Квантова теорія повністю пояснює з єдиних позицій все властивості світла. Характерною рисою квантової теорії світла є пояснення всіх явищ, в тому числі і тих, до? Торие раніше здавалися зрозумілими лише з позицій хвильової теорії. Наприклад, явища інтерференції і дифракції світла квантова теорія описує як результат перерозподілу фотонів в просторі.
Розподіл фотонів в пучках світла при інтерференції і дифракції описується статистичними законами, що дають ті ж результати, що і хвильова теорія. Однак торжество сучасної квантової теорії в поясненні всіх світових явле? ний не означає, що ніяких хвиль в природі немає.
Хвильові властивості електрона. Повної відмови від хвильових уявлень про природу світла перешкоджають не тільки сила традиції, зручність хвильової теорії і труднощі сучасної квантової теорії. Є й більш серйозна причина. У 1924 р французький фізик Луї де Б рій ль вперше висловив ідею, згідно з якою одночасне прояв корпускулярних і хвильових властивостей притаманне не тільки світла, але і будь-якого дру? гому матеріального об'єкту. Ця ідея була лише тео? ської гіпотезою, так як в той час наука не мала експери? ментальними фактами, які б підтверджували існування хвильових властивостей у елементарних частинок і атомів. У цьому зак? Люча істотна відмінність гіпотези де Бройля про хвильові властивості частинок від гіпотези Ейнштейна про існування фото? нов світла, висунутої ним після відкриття явища фотоефекту.
Гіпотеза де Бройля існування хвиль матерії була детально разработа? на, і отримані з неї слідства могли бути піддані експериментальній перевірці. Основне припущення де Бройля полягало в тому, що будь-який матеріальний об'єкт має хвильовими властивостями і довжина хвилі пов'язана з його імпульсом таким же співвідношенням, ка? ким пов'язані між собою довжина світло? виття хвилі і імпульс фотона. Знайдемо вираз, що зв'язує імпульс фото? на р з довжиною хвилі світла. Імпульс фотона визначається формулою:
можна визначити масу фотона:
З огляду на це, можна формулу перетворити так:
Звідси отримуємо для довжини світлової хвилі формулу:
Якщо цей вислів справедливо, як припустив де Бройль, для будь-якого матеріального об'єкта, то довжина хвилі тіла мас? сой т, що рухається зі швидкістю v. може бути знайдена так:
Перше експериментальне підтвердження гіпотези де Брой- ля підівчили в 1927 р незалежно один від одного американські фізики К. Д. Девіссон і Л. X. Джермер і англійський фізик Д. П. Томсон. Девіссон і Джермер вивчали відображення електрон? них пучків від поверхні кристалів на установці, схема кото? рій зображена на малюнку 1. Переміщуючи приймач електро? нов по дузі кола, центр якої знаходиться в місці паде? ня електронного пучка на кристал, вони виявили складну залежність інтенсивності відбитого пучка від кута рис. 2. Відображення випромінювання тільки під певними кутами означа? ет, що це випромінювання являє собою хвильовий процес і його виборче відображення є результат дифракції на атомах кристалічної решітки. За відомими значеннями постійної кристалічної решітки і d кута дифракційного максимуму можна за рівнянням Вульфа - Брегга
обчислити довжину хвилі дифрагованим випромінювання і зіставлення вити її з дебройлевской довжиною хвилі електронів. ви?
чисельної за відомим прискорює напрузі U.
Обчислена таким чином з досвідчених даних довжина хвилі збіглася за значенням з дебройлевской довжиною хвилі.
Цікаві результати іншого досвіду, в якому пучок електронів прямував на монокристал, але розташування при? емніка і кристала не змінювався. При зміні прискорюючої напруги, т. Е. Швидкості електронів, залежність сили струму через гальванометр від прискорювальної напруги мала вигляд, представлений на малюнку 3. Електронний пучок випробовував найбільш ефективне відображення при швидкостях частинок, удовлет? Воря - умові дифракційного максимуму.
Наступні експерименти повністю підтвердили пра? ність гіпотези де Бройля і можливість використання рівнян? нання (6) для розрахунку довжини хвилі, пов'язаної з будь-яким матеріальним об'єктом. Виявлена дифракція не тільки еле? плементарним частинок (електрон, протон, нейтрон), а й атомів.
Виконавши розрахунки довжини дебройлевской хвилі для різних матеріальних об'єктів, можна зрозуміти, чому ми не помічаємо в повсякденному житті хвильових властивостей оточуючих нас тіл. Їх довжини хвиль виявляються настільки малими, що прояв хвильових властивостей неможливо виявити. Так, для кулі масою 10 г, що рухається зі швидкістю 660 м / с, довжина дебройлевской хвилі дорівнює:
Дифракція електронів на решітці кристала нікелю стано? вітся помітною лише при таких швидкостях руху електронів, при яких їх дебройлевская довжина хвилі стає порівняй? мій з постійною решітки.
При цьому умови дифракційна картина, що отримується від електронного пучка, стає подоб? ної картині дифракції пучка рентгенівських променів з такою ж довжиною хвилі. На малюнку 4 представлені фотографії діфрак? ційних картин, що спостерігаються при проходженні пучка світла (а) і пучка електронів (б) у краю екрану.
Гіпотеза де Бройля і атом Бора. Гіпотеза про хвильову при? роді електрона дозволила дати принципово нове пояснення стаціонарним станам в атомах. Для того щоб зрозуміти це пояснення, виконаємо спочатку розрахунок довжини дебройлевской хвилі електрона, що рухається по першій дозволеної круговій орбіті в атомі водню. Підставивши в рівняння (6) висловлю? ня для швидкості електрона на першій круговій орбіті, отримаємо:
Це означає, що в атомі водню, що знаходиться в першому стаціонарному стані, довжина дебройлевской хвилі електрона з точністю дорівнює довжині його кругової орбіти! Для будь-якої іншої орбіти з порядковим номером п отримуємо:
Цей результат дозволяє висловити постулат Бора про стаціон? нарних станах в такій формі: електрон обертається навколо ядра невизначено довго, не випромінюючи енергії, якщо на його орбі? ті укладається ціле число довжин хвиль де Бройля.
Таке формулювання постулату Бора поєднує в собі одне? тимчасово твердження про наявність у електрона хвильових і корпус? кулярной властивостей, відображаючи його двоїсту природу. З'єднань? ня хвильових і корпускулярних властивостей в цьому постулаті проіс? ходить тому, що при розрахунку довжини хвилі електрона викорис? -зуется модуль швидкості. отриманий при розрахунку руху електрона як зарядженої частинки по круговій орбіті радіуса r.
Взаємні перетворення світла і речовини. Глибоке единст? у двох різних форм матерії - речовини у вигляді різних елементарних частинок і електромагнітного поля у вигляді фотонів - виявляється не тільки в двоїстої корпускулярно-хвильову природу всіх матеріальних об'єктів, але головним чином в тому, що всі відомі частинки і фотони взаємно перетворюваність.
Найвідоміший приклад взаємних перетворень часток - це перетворення пари електрон - позитрон в два або три гамма кванта. Цей процес спостерігається при кожній зустрічі електрона з позитроном і називається анігіляцією (тобто зникненням). При анігіляції строго виконуються закони збереження енер? гии, імпульсу, моменту імпульсу і електричного заряду (елект? рон і позитрон мають рівні зарядами протилежного знака), але матерія у формі речовини зникає, перетворюючись на матерію в формі електромагнітного випромінювання.
Процес, зворотний анігіляції, спостерігається при взаємодії? дії гамма-квантів з атомними ядрами. Гамма-квант, енер? Гия якого перевищує енергію спокою Ео = 2 m 0 c 2 пари елект? Рон - позитрон. може перетворитися в таку пару.
Таким чином, матерія не тільки різноманітна в своїх формах, але і єдина в своїй суті. Поділ матеріальних? них об'єктів на окремі групи і види умовно і відноси? кові.