teoria dualistă a luminii. Dualitate undă-particulă

Efectul Compton și efectul fotoelectric confirmă natura corpusculară a luminii. Lumina se comportă ca un flux de particule - fotoni. Atunci cum poate o particulă să prezinte proprietățile inerente undelor clasice? La urma urmei, o particulă poate trece fie prin una, fie prin cealaltă fante. Cu toate acestea, interferența luminii din două fante este cunoscută (experimentul lui Young). Astfel, am ajuns la un paradox - lumina are atât proprietățile corpusculilor, cât și proprietățile undelor. Prin urmare, ei spun că lumina este caracterizată de dualismul undelor corpusculare.

Contrastarea proprietăților cuantice și ondulatorii ale luminii una cu cealaltă este eronată. Proprietăți de continuitate câmp electromagnetic a unei unde luminoase nu exclude proprietățile discretității, caracteristice cuantelor de lumină - fotoni. Lumina are simultan proprietățile de continuu undele electromagneticeși proprietățile fotonilor discreti. Ea reprezintă unitatea dialectică a acestor proprietăți. Pe măsură ce lungimea de undă scade, proprietățile cuantice ale luminii devin din ce în ce mai distincte (aceasta este legată, de exemplu, de existența limitei roșii a efectului fotoelectric). Proprietățile de undă ale radiației cu unde scurte sunt foarte slabe (de exemplu, difracția în raze X). Pentru radiațiile cu lungime de undă lungă, proprietățile cuantice sunt slab manifestate, iar rolul principal este jucat de proprietățile valurilor.

Relația dintre proprietățile undei corpusculare ale luminii este explicată printr-o abordare statistică a studiului propagării luminii. Lumina este un flux de particule discrete - fotoni, în care sunt localizate energia, impulsul și masa radiației. Interacțiunea fotonilor cu materia la trecerea printr-un sistem optic duce la o redistribuire a fotonilor în spațiu și la apariția unui model de difracție. În acest caz, pătratul amplitudinii unei unde luminoase în orice punct din spațiu este o măsură a probabilității ca fotonii să lovească acest punct.

Astfel, proprietățile corpusculare ale luminii sunt legate de faptul că energia, masa și impulsul radiației sunt localizate în fotoni discreti, iar proprietățile undelor sunt legate de legile statistice ale distribuției fotonilor în spațiu.

Cursul 4

2.Natura corpusculară dublă a particulelor de materie

2.1. Ipoteza lui De Broglie

În 1924, fizicianul francez Louis de Broglie a înaintat o ipoteză conform căreia mișcarea unui electron, sau a oricărei alte particule, este asociată cu un proces ondulatoriu. Lungimea de undă a acestui proces:

si frecventa ω = E/ħ, adică Dualismul undelor corpusculare este inerent tuturor particulelor fără excepție.

Dacă particula are energie cinetică E, atunci corespunde lungimii de undă de Broglie:

Pentru un electron accelerat de o diferență de potențial
, energie kinetică
, și lungimea de undă

A. (2.1)

Experimentele lui Davisson și Germer (1927). Ideea din spatele experimentelor lor a fost următoarea. Dacă fasciculul de electroni are proprietăți de undă, atunci ne putem aștepta, chiar și fără a cunoaște mecanismul de reflexie al acestor unde, ca reflexia lor din cristal să aibă același caracter de interferență ca cel al razelor X.

ÎN o serie de experimente realizate de Davisson și Germer pentru a detecta maximele de difracție (dacă există) a măsurat tensiunea de accelerare a electronilor și simultan poziția detectorului D (contor de electroni reflectați). În experiment, a fost folosit un singur cristal de nichel (sistem cubic), măcinat așa cum se arată în Fig. 2.1.

Dacă este rotit în jurul axei verticale într-o poziție corespunzătoare modelului, atunci în această poziție suprafața solului este acoperită cu rânduri regulate de atomi perpendiculare pe planul de incidență (planul modelului), distanța dintre care d= 0,215 nm.

D detectorul a fost deplasat în planul de incidență prin modificarea unghiului θ. La un unghi θ = 50° și tensiunea de accelerare U= 54V a fost observat un maxim deosebit de distinct de electroni reflectați, a cărui diagramă polară este prezentată în Fig. 2.2.

Acest maxim poate fi interpretat ca un maxim de interferență de ordinul întâi dintr-un rețeau de difracție plat cu o perioadă

, (2.2)

care se poate observa din Fig.2.3. În această figură, fiecare punct gros este o proiecție a unui lanț de atomi situat pe o linie dreaptă perpendiculară pe planul figurii. Perioadă d poate fi măsurat independent, de exemplu prin difracție de raze X.

ÎN calculată prin formula (2.1) lungimea de undă de Broglie pentru U= 54V este egal cu 0,167 nm. Lungimea de undă corespunzătoare, găsită din formula (2.2), este 0,165 nm. Acordul este atât de bun încât rezultatul obținut ar trebui recunoscut ca o confirmare convingătoare a ipotezei lui de Broglie.

O altă serie de experimente ale lui Davisson și Germer a constat în măsurarea intensității eu fascicul de electroni reflectat la un unghi de incidență dat, dar la valori diferite ale tensiunii de accelerare U.

Teoretic, în acest caz ar trebui să apară maxime de reflexie a interferenței, similare cu reflexia razelor X dintr-un cristal. Ca urmare a difracției radiației incidente de către atomi, unde emană din diferite planuri cristaline ale cristalului, de parcă ar fi experimentat o reflexie în oglindă din aceste planuri. Aceste unde se întăresc reciproc în timpul interferenței dacă este îndeplinită condiția Bragg-Wulf:

, m=1,2,3,…, (2.3)

Unde d - distanta interplanara, α - unghi de alunecare.

H amintiți-vă derivarea acestei formule. Din fig. 2.4 se poate observa că diferența dintre traseele a două unde, 1 și 2, reflectată specular din straturile atomice vecine, ABC =
. În consecință, direcțiile în care apar maximele de interferență sunt determinate de condiția (2.3).

Acum să înlocuim expresia (2.1) pentru lungimea de undă de Broglie în formula (2.3). Deoarece valorile lui α și d experimentatorii lăsați neschimbați, din formula (2.3) rezultă că

~T, (2.4)

acestea. valorile
, la care se formează maximele de reflexie, ar trebui să fie proporționale cu numerele întregi T= 1, 2, 3, ..., cu alte cuvinte, să fie la aceeași distanță unul de celălalt.

E Acest lucru a fost verificat experimental, ale cărui rezultate sunt prezentate în Fig. 2. 5, unde U prezentate în volți. Se poate observa că intensitatea maximă eu sunt aproape echidistante unul de celălalt (aceeași imagine apare și în difracția razelor X din cristale).

Rezultatele obținute de Davisson și Germer susțin puternic ipoteza lui de Broglie. În termeni teoretici, după cum am văzut, analiza difracției undelor de Broglie coincide complet cu difracția razelor X.

Astfel, natura dependenței (2.4) a fost confirmată experimental, dar a existat o oarecare discrepanță cu predicțiile teoriei. Și anume, între pozițiile maximelor experimentale și teoretice (cele din urmă sunt prezentate prin săgeți în Fig. 2.5), există o discrepanță sistematică, care scade odată cu creșterea tensiunii de accelerare. U. Această discrepanță, așa cum sa dovedit mai târziu, se datorează faptului că, la derivarea formulei Bragg-Wulf, nu a fost luată în considerare refracția undelor de Broglie.

Pe refracția undelor de Broglie. Indicele de refracție P undele de Broglie, precum și undele electromagnetice, sunt determinate de formula

, (2.5)

Unde Și - vitezele de fază ale acestor unde în vid și mediu (cristal).

Viteza de fază a undei de Broglie este o mărime fundamental neobservabilă. Prin urmare, formula (2.5) trebuie transformată astfel încât indicele de refracție P ar putea fi exprimat prin raportul cantităților măsurate. Acest lucru se poate face în felul următor. Prin definiție, viteza de fază

, (2.6)

Unde k - numărul valului. Presupunând, în mod similar fotonilor, că frecvența undelor de Broglie nu se schimbă nici la trecerea interfeței dintre medii (dacă o astfel de presupunere este nedreaptă, atunci experiența va indica inevitabil acest lucru), reprezentăm (2.5) cu (2.6) luate în considerare în formular

(2.7)

P căzând din vid într-un cristal (metal), electronii se găsesc într-un puț de potențial. Aici energia lor cinetică crește cu „adâncimea” puțului de potențial (Fig. 2.6). Din formula (2.1), unde
, urmează că λ~
Prin urmare, expresia (2.7) poate fi rescrisă după cum urmează:

(2.8)

Unde U 0 - potenţialul intern cristal. Se vede că cu atât mai mult U (relativ ), teme P mai aproape de unitate. Prin urmare P se manifestă mai ales la mic U, iar formula Bragg-Wulf ia forma

(2.9)

Să ne asigurăm că formula Bragg-Wulf (2.9), luând în considerare refracția, explică într-adevăr pozițiile maximelor de intensitate
în fig. 2.5. Înlocuirea în (2.9) PȘi λ conform formulelor (2.8) și (2.1) prin expresiile lor în termenii diferenței de potențial accelerator U, acestea.

(2.11)

Acum luăm în considerare că distribuția
în Figura 2.5 obţinut pentru nichel la valori U 0=15V, d= 0,203 nm și α =80°. Atunci (2.11) după transformări simple poate fi rescrisă după cum urmează:

(2.12)

Calculați valoarea folosind această formulă
, de exemplu, pentru un maxim de ordinul al treilea ( m= 3), pentru care discrepanța cu formula Bragg-Wulf (2.3) sa dovedit a fi cea mai mare:

Coincidența cu poziția reală a maximului de ordinul 3 nu necesită comentarii.

Deci, experimentele lui Davisson și Germer ar trebui recunoscute ca o confirmare strălucitoare a ipotezei lui de Broglie.

Experimentele lui Thomson și Tartakovsky. În aceste experimente, un fascicul de electroni a fost trecut printr-o folie policristalină (conform metodei Debye în studiul difracției de raze X). Ca și în cazul razelor X, pe o placă fotografică situată în spatele foliei a fost observat un sistem de inele de difracție. Asemănarea ambelor tablouri este izbitoare. Suspiciunea că sistemul acestor inele este generat nu de electroni, ci de radiații secundare de raze X rezultate din incidența electronilor pe folie, se disipează cu ușurință dacă se creează un câmp magnetic în calea electronilor împrăștiați (aduceți un magnet). Nu afectează razele X. Acest tip de test a arătat că modelul de interferență a fost imediat distorsionat. Acest lucru indică clar că avem de-a face cu electroni.

G. Thomson a efectuat experimente cu rapid electroni (zeci de keV), II.C. Tarkovski - relativ încet electroni (până la 1,7 keV).

Experimente cu neutroni și molecule. Pentru observarea cu succes a difracției undelor de către cristale, este necesar ca lungimea de undă a acestor unde să fie comparabilă cu distanțele dintre nodurile rețelei cristaline. Prin urmare, pentru a observa difracția particulelor grele, este necesar să se utilizeze particule cu viteze suficient de mici. Au fost efectuate experimente corespunzătoare privind difracția neutronilor și a moleculelor la reflexia din cristale și, de asemenea, au confirmat pe deplin ipoteza lui de Broglie atunci când este aplicată și particulelor grele.

Datorită acestui fapt, s-a dovedit experimental că proprietățile undelor sunt o proprietate universală toate particule. Ele nu sunt cauzate de nicio caracteristică a structurii interne a unei anumite particule, ci reflectă legea lor generală de mișcare.

DESPRE teste cu electroni unici. Experimentele descrise mai sus au fost efectuate folosind fascicule de particule. Prin urmare, apare o întrebare firească: proprietățile undelor observate exprimă proprietățile unui fascicul de particule sau ale particulelor individuale?

Pentru a răspunde la această întrebare, V. Fabrikant, L. Biberman și N. Sushkin au efectuat experimente în 1949 în care fasciculele de electroni erau atât de slabe încât fiecare electron trecea prin cristal unul câte unul și fiecare electron împrăștiat a fost înregistrat de o placă fotografică. În același timp, sa dovedit că electronii individuali lovesc diferite puncte ale plăcii fotografice într-un mod complet aleatoriu la prima vedere (Fig. 2.7, a). Între timp, cu o expunere suficient de lungă, pe placa fotografică a apărut un model de difracție (Fig. 2.7, b), absolut identic cu modelul de difracție de la un fascicul de electroni convențional. Așa că s-a dovedit că particulele individuale au și proprietăți de undă.

Astfel, avem de-a face cu micro-obiecte care au simultan proprietăți atât corpusculare cât și ondulatorii. Acest lucru ne permite să vorbim mai departe despre electroni, dar concluziile la care ajungem au un sens complet general și sunt la fel de aplicabile oricăror particule.

Din formula lui de Broglie a rezultat că proprietățile undelor ar trebui să fie inerente oricărei particule dintr-o substanță care are masă și viteză. . În 1929 Experimentele lui Stern au demonstrat că formula de Broglie este valabilă și pentru fasciculele de atomi și molecule. El a obținut următoarea expresie pentru lungimea de undă:

Ǻ,

Unde μ – Masă molară substante N A este numărul lui Avogadro, R este constanta universală a gazului, T- temperatura.

Când fasciculele de atomi și molecule sunt reflectate de pe suprafețe solide trebuie observate fenomene de difracție, care sunt descrise prin aceleași relații ca și un rețeau de difracție plat (bidimensional). Experimentele au arătat că, pe lângă particulele împrăștiate la un unghi egal cu unghiul de incidență, există maxime ale numărului de particule reflectate la alte unghiuri determinate de formulele unui rețele de difracție bidimensionale.

Formulele lui De Broglie s-au dovedit a fi valabile și pentru neutroni. Acest lucru a fost confirmat de experimente privind difracția neutronilor pe receptori.

Astfel, prezența proprietăților undei în particulele în mișcare cu o masă în repaus este un fenomen universal care nu este asociat cu nici un specific al particulei în mișcare.

Absența proprietăților undelor în corpurile macroscopice este explicată după cum urmează. La fel ca rolul jucat de viteza luminii în deciderea aplicabilității mecanicii newtoniene (nerelativiste), există un criteriu care arată în ce cazuri ne putem limita la conceptele clasice. Acest criteriu este legat de constanta lui Planck ħ. Dimensiunea fizică ħ este egal ( energie)X( timp), sau ( impuls)X( lungime), sau (momentul impulsului). O cantitate cu această dimensiune se numește acțiune. Constanta lui Planck este cuantumul de acțiune.

Dacă într-un sistem fizic dat valoarea unei mărimi caracteristice H Cu dimensiunea acțiunii este comparabilă cu ħ , atunci comportamentul acestui sistem poate fi descris doar în termeni de teorie cuantică. Dacă valoarea H foarte mare comparativ cu ħ , atunci comportamentul sistemului este descris cu mare precizie de legile fizicii clasice.

Rețineți, totuși, că acest criteriu este aproximativ. Indică doar când trebuie să fii atent. Miciune de acțiune H nu indică întotdeauna inaplicabilitatea completă a abordării clasice. În multe cazuri, poate oferi o idee calitativă a comportamentului sistemului, care poate fi rafinată folosind abordarea cuantică.

Exemple tipice de obiecte care prezintă un comportament dublu val-particulă sunt electronii și lumina; principiul este valabil și pentru obiecte mai mari, dar, de regulă, cu cât obiectul este mai masiv, cu atât se manifestă mai puțin proprietățile sale de undă (nu vorbim aici despre comportamentul undelor colective a multor particule, de exemplu, undele de la suprafață a unui lichid).

Ideea dualității undă-particulă a fost folosită în dezvoltarea mecanicii cuantice pentru a interpreta fenomenele observate în microcosmos din punctul de vedere al conceptelor clasice. În realitate, obiectele cuantice nu sunt nici unde clasice, nici particule clasice, prezentând proprietățile primelor sau ale celor din urmă doar în funcție de condițiile experimentelor care se desfășoară asupra lor. Dualitatea undă-particulă este inexplicabilă în cadrul fizicii clasice și poate fi interpretată doar în mecanica cuantică.

O dezvoltare ulterioară a ideilor despre dualitatea undă-particulă a fost conceptul de câmpuri cuantificate în teoria câmpurilor cuantice.

Waves de Broglie

Principiul dualității undă-particulă primește o expresie cantitativă în ideea undelor de Broglie. Pentru orice obiect care prezintă atât proprietăți ondulatorii, cât și proprietăți corpusculare, există o relație între impuls p (\displaystyle \mathbf (p) ) si energie E (\displaystyle E) inerente acestui obiect ca particulă și parametrii săi de undă - vector val k (\displaystyle \mathbf (k) ), lungime de undă λ (\displaystyle \lambda ), frecvență ν (\displaystyle \nu ), frecventa ciclica ω (\displaystyle \omega ). Această legătură este dată de relațiile:

Unde ℏ (\displaystyle \hbar )Și h = 2 π ℏ (\displaystyle h=2\pi \hbar ) sunt constantele Planck reduse și, respectiv, obișnuite. Aceste formule sunt corecte pentru energia și impulsul relativiste.

Unda de Broglie este pusă în corespondență cu orice obiect în mișcare al microlumii; astfel, sub forma undelor de Broglie, atât particulele luminoase, cât și cele masive sunt supuse interferențelor și difracției. În același timp, cu cât masa unei particule este mai mare, cu atât lungimea de undă de Broglie este mai mică la aceeași viteză și cu atât este mai dificil să-și înregistreze proprietățile undei. În linii mari, interacționând cu mediul înconjurător, obiectul se comportă ca o particulă dacă lungimea undei sale de Broglie este mult mai mică decât dimensiunile caracteristice disponibile în mediul său și ca o undă - dacă este mult mai mare; cazul intermediar poate fi descris doar în cadrul unei teorii cuantice cu drepturi depline.

Semnificația fizică a undei de Broglie este următoarea: pătratul modulului amplitudinii undei într-un anumit punct din spațiu este egal cu densitatea de probabilitate a detectării unei particule într-un punct dat dacă poziția sa este măsurată. În același timp, în timp ce măsurarea nu este efectuată, particula nu este de fapt localizată într-un loc anume, ci este „untată” în spațiu sub forma unei unde de Broglie.

Istoria dezvoltării

Întrebările despre natura luminii și materiei au o istorie lungă, dar până la un anumit timp se credea că răspunsurile la ele trebuie să fie clare: lumina este fie un flux de particule, fie o undă; materia fie constă din particule individuale care se supun mecanicii clasice, fie este un mediu continuu.

Descrierea undelor aparent bine stabilită a luminii s-a dovedit a fi incompletă când, în 1901, Planck a obținut o formulă pentru spectrul de radiații al unui corp complet negru, iar apoi Einstein a explicat efectul fotoelectric, bazându-se pe presupunerea că lumina cu o anumită lungimea de undă este emisă și absorbită doar în anumite porțiuni. O astfel de porțiune - un cuantum de lumină, numit mai târziu foton - transferă energie proporțională cu frecvența undei luminoase cu un coeficient h (\displaystyle h) este constanta lui Planck. Astfel, s-a dovedit că lumina prezintă nu numai proprietăți ondulatorii, ci și corpusculare.

O întruchipare mai concretă și mai corectă a principiului dualității undă-particulă a fost dată în „mecanica ondulatorie” a lui Schrödinger, care s-a transformat apoi în mecanica cuantică modernă.

Dualitatea luminii unde corpusculare

Ca exemplu clasic de aplicare a principiului dualității undă-particulă, lumina poate fi interpretată ca un flux de corpusculi (fotoni), care în multe efecte fizice prezintă proprietățile undelor electromagnetice clasice. Lumina prezintă proprietățile unei unde în fenomenele de difracție și interferență la scări comparabile cu lungimea de undă a luminii. De exemplu, chiar singur fotonii care trec prin fanta dublă creează un model de interferență pe ecran, determinat de ecuațiile lui Maxwell.

Cu toate acestea, experimentul arată că un foton nu este un impuls scurt de radiație electromagnetică, de exemplu, nu poate fi împărțit în mai multe fascicule prin divizoare optice de fascicul, ceea ce a fost demonstrat în mod clar de un experiment realizat de fizicienii francezi Grangier, Roger și Aspe în 1986. . Proprietățile corpusculare ale luminii se manifestă în legile radiației termice de echilibru, în efectul fotoelectric și în efectul Compton. Un foton se comportă, de asemenea, ca o particulă care este emisă sau absorbită în întregime de obiecte ale căror dimensiuni sunt mult mai mici decât lungimea sa de undă (de exemplu, nucleele atomice) sau poate fi, în general, considerată punctiform (de exemplu, un electron).

Cu cât lungimea de undă a radiației electromagnetice este mai mică, cu atât energia și impulsul fotonilor sunt mai mari și cu atât este mai dificilă detectarea proprietăților de undă ale acestei radiații. De exemplu, radiația cu raze X difractează numai pe un rețeau de difracție foarte „subțire” - rețeaua cristalină a unui solid.

Comportamentul ondulatoriu al obiectelor mari

Comportamentul undelor este prezentat nu numai de particulele elementare și nucleoni, ci și de obiecte mai mari - molecule. În 1999, a fost observată pentru prima dată difracția fullerenă. În 2013, a fost posibil să se realizeze difracția moleculelor cu o masă mai mare de 10.000 a.m.u. , constând din peste 800 de atomi fiecare.

Cu toate acestea, nu există o certitudine completă dacă, în principiu, obiectele cu o masă care depășește masa Planck pot prezenta un comportament ondulatoriu.

Vezi si

Note

1. Cuvântul „corpuscul” înseamnă „particulă” și practic nu este folosit în afara contextului dualismului cu unde corpusculare.
2. Gershtein S. S. Dualitate undă-particulă// Enciclopedia fizică: [în 5 volume] / Cap. ed. A. M. Prohorov. - M.: Enciclopedia Sovietică, 1990. - Vol. 2: Factorul de calitate - Magneto-optică. - S. 464-465. - 704 p. - 100.000 de exemplare. -

39. Dualismul corpuscular-undă al proprietăților materiei.

Dualismul undelor corpusculare a proprietăților radiației EM. Aceasta înseamnă că natura luminii poate fi considerată din două părți: pe de o parte, este o undă, ale cărei proprietăți se manifestă în legile de propagare a luminii, interferență, difracție și polarizare. Pe de altă parte, lumina este un flux de particule care au energie, impuls. Proprietățile corpusculare ale luminii se manifestă în procesele de interacțiune a luminii cu materia (efect fotoelectric, efect Compton).

Analizând, se poate înțelege că, cu cât lungimea de undă l este mai mare, cu atât energia este mai mică (de la E \u003d hc / l), cu cât impulsul este mai mic, cu atât este mai dificilă detectarea proprietăților cuantice ale luminii.

Cu cât l => mai multă energie E a fotonului, cu atât este mai dificilă detectarea proprietăților undei luminii.

Relația dintre proprietățile duble ale undelor corpusculare ale luminii poate fi explicată folosind o abordare statistică a luării în considerare a modelelor de distribuție a luminii.

De exemplu, difracția luminii printr-o fantă: când lumina trece printr-o fantă, fotonii sunt redistribuiți în spațiu. Deoarece probabilitatea ca un foton să lovească diferite puncte ale ecranului nu este aceeași, apare un model de difracție. Iluminarea ecranului (numărul de fotoni incidenti pe acesta) este proporțională cu probabilitatea ca un foton să lovească acest punct. Pe de altă parte, iluminarea ecranului este proporţională cu pătratul amplitudinii undei I~E2. Prin urmare, amplitudinea pătrată a undei de lumină într-un punct dat din spațiu este o măsură a probabilității ca un foton să lovească acel punct din spațiu.

44. Ecuația Schrödinger pentru stări staționare.

Ecuația (217.5) se numește ecuația Schrödinger pentru stările staționare. Această ecuație include energia totală ca parametru E particule. În teoria ecuațiilor diferențiale, se demonstrează că astfel de ecuații au un număr infinit de soluții, dintre care se selectează soluții care au sens fizic prin impunerea unor condiții la limită. Pentru ecuația Schrödinger, astfel de condiții sunt condițiile de regularitate ale funcțiilor de undă: funcțiile de undă trebuie să fie finite, cu o singură valoare și continue împreună cu derivatele lor primare. Astfel, numai soluțiile care sunt exprimate prin funcții regulate  au o semnificație fizică reală, dar soluțiile regulate nu au loc pentru nicio valoare a parametrului E, a numai pentru un anumit set dintre ele, caracteristice unei sarcini date. Aceste valori energetice se numesc proprii. Soluții care se potrivesc proprii se numesc valorile energetice funcții proprii. Valori proprii E poate forma atât serii continue, cât și discrete. În primul caz, se vorbește despre continuu, sau continuu, spectru, in secunda - despre spectrul discret.

40. Undele De Broglie și proprietățile lor.

De Broglie a susținut că nu numai fotonii, ci și electronii și orice alte particule de materie, împreună cu cele corpusculare, au și proprietăți de undă. Deci, potrivit lui de Broglie, fiecare micro-obiect conectat, pe de o parte, corpuscular caracteristici – energie Eși impuls R, iar pe de alta - caracteristicile undei- frecvența v și lungimea de undă LA. Relațiile cantitative care conectează proprietățile corpusculare și de undă ale particulelor sunt aceleași ca și pentru fotoni: E= hv, p= h/  . (213.1) Îndrăzneala ipotezei lui de Broglie constă tocmai în faptul că relația (213.1) a fost postulată nu numai pentru fotoni, ci și pentru alte microparticule, în special pentru cele care au o masă în repaus. Astfel, orice particulă cu impuls este asociată cu un proces de undă cu o lungime de undă determinată de conform formulei de Broglie:  = h/ p. (213.2) Această relație este valabilă pentru orice particulă cu impuls R. Curând, ipoteza lui de Broglie a fost confirmată experimental. (K. Davisson, L. Germer) a descoperit că un fascicul de electroni împrăștiat dintr-un rețeau de difracție naturală - un cristal de nichel - dă un model de difracție distinct. Maximele de difracție corespundeau formulei Wulff-Braggs (182.1), iar lungimea de undă Bragg s-a dovedit a fi exact egală cu lungimea de undă calculată prin formula (213.2). Mai târziu, formula lui de Broglie a fost confirmată de experimentele lui P. S. Tartakovsky și G. Thomson, care au observat modelul de difracție în timpul trecerii unui fascicul de electroni rapizi (energie 50 keV) printr-o folie metalică (grosime 1 μm). Deoarece modelul de difracție a fost studiat pentru fluxul de electroni, a fost necesar să se demonstreze că proprietățile undei sunt inerente nu numai fluxului unui set mare de electroni, ci și fiecărui electron separat. Acest lucru a fost confirmat experimental în 1948 de către fizicianul sovietic V. A. Fabrikant (n. 1907). El a arătat că, chiar și în cazul unui fascicul de electroni atât de slab, atunci când fiecare electron trece prin dispozitiv independent de ceilalți (intervalul de timp dintre doi electroni este de 10 4 ori mai mare decât timpul în care electronul trece prin dispozitiv), difracția modelul care apare în timpul expunerii lungi nu diferă de modelele de difracție, obținute cu o expunere scurtă pentru fluxuri de electroni, de zeci de milioane de ori mai intense. În consecință, proprietățile de undă ale particulelor nu sunt o proprietate a colectivului lor, ci sunt inerente fiecărei particule separat. Ulterior, au fost descoperite fenomene de difracție și pentru neutroni, protoni, fascicule atomice și moleculare. Dovada experimentală a prezenței proprietăților de undă ale microparticulelor a condus la concluzia că avem un fenomen universal, o proprietate generală a materiei. Dar apoi proprietățile undelor trebuie să fie și inerente corpurilor macroscopice. De ce nu sunt găsite experimental? De exemplu, unei particule de 1 g care se deplasează cu viteza de 1 m/s îi corespunde o undă de Broglie cu =6,62 10 -31 m. nu există). Prin urmare, se crede că corpurile macroscopice prezintă doar o latură a proprietăților lor - corpusculare - și nu prezintă val. Ideea naturii corpusculare duble a particulelor de materie este aprofundată de faptul că particulele de materie sunt transferate în relația dintre energia totală a particulei. G iar frecvența v a undelor de Broglie: e=hv. (213.3) Aceasta indică faptul că relația dintre energie și frecvență din formula (213.3) are caracterul raport universal, valabil atât pentru fotoni, cât și pentru orice alte microparticule. Valabilitatea relației (213.3) rezultă din acordul cu experiența acelor rezultate teoretice care se obțin cu ajutorul ei în mecanica cuantică, fizica atomică și nucleară. Ipoteza confirmată experimental a lui de Broglie despre dualitatea undă-particulă a proprietăților materiei a schimbat radical ideile despre proprietățile micro-obiectelor. Toate micro-obiectele au atât proprietăți corpusculare, cât și proprietăți ondulatorii; în același timp, oricare dintre microparticule nu poate fi considerată nici o particulă, nici o undă în sensul clasic. Interpretarea modernă a dualității undă-particulă poate fi exprimată în cuvintele fizicianului teoretician sovietic V. A. Fok (1898-1974): ca particulă, sau într-un mod intermediar. Este în asta potenţial diverse manifestări ale proprietăților inerente unui micro-obiect, iar dualitatea undă-particulă constă. Orice altă înțelegere, mai literală, a acestui dualism sub forma unui model este greșită.

Conţinut.

1. Introducere.
2. Proprietățile undei ale luminii.

a) dispersie.

b) Difracția.

c) Polarizare

1. Proprietățile cuantice ale luminii.

a) efect fotoelectric.

b) Efectul Compton.

5. Concluzie.

6. Lista literaturii folosite.

Introducere.

Deja în antichitate au fost conturate trei abordări principale pentru rezolvarea problemei naturii luminii. Aceste trei abordări s-au conturat ulterior în două teorii concurente - teoriile corpusculare și ondulatorii ale luminii.

Majoritatea covârșitoare a filozofilor și oamenilor de știință antici considerau lumina ca un fel de raze care leagă corpul luminos și ochiul uman. În același timp, unii dintre ei credeau că razele provin din ochii unei persoane, ei, parcă, simt obiectul în cauză. Acest punct de vedere a avut un număr mare de adepți, printre care și Euclid. Formularea primei legi a opticii geometrice, legea propagării rectilinie a luminii,Euclid a scris: „Razele emise de ochi se propagă pe o cale dreaptă”. Aceeași viziune a fost susținută de Ptolemeu și de mulți alți oameni de știință și filozofi.

Cu toate acestea, mai târziu, deja în Evul Mediu, o astfel de idee despre natura luminii își pierde sensul. Din ce în ce mai puțini oameni de știință urmează aceste opinii. Și până la începutul secolului al XVII-lea. acest punct de vedere poate fi considerat deja uitat. Alții, dimpotrivă, credeau că razele sunt emise de un corp luminos și, ajungând la ochiul uman, poartă amprenta unui obiect luminos. Acest punct de vedere a fost susținut de atomiștii Democrit, Epicur, Lucretius.

Ultimul punct de vedere asupra naturii luminii mai târziu, în secolul al XVII-lea, a luat contur în teoria corpusculară a luminii, conform căreia lumina este un flux de particule emise de un corp luminos.

Al treilea punct de vedere asupra naturii luminii a fost exprimat de Aristotel. El a considerat lumina ca o acțiune sau mișcare care se propagă în spațiu (într-un mediu). Puțini oameni împărtășeau părerea lui Aristotel în vremea lui. Dar mai târziu, din nou în secolul al XVII-lea, punctul său de vedere a fost dezvoltat și a pus bazele teoriei ondulatorii a luminii.

Până la mijlocul secolului al XVII-lea s-au acumulat fapte care au împins gândirea științifică dincolo de limitele opticii geometrice. Unul dintre primii oameni de știință care a împins gândirea științifică la teoria naturii ondulatorii a luminii a fost omul de știință ceh Marci. Opera sa este cunoscută nu numai în domeniul opticii, ci și în domeniul mecanicii și chiar al medicinei. În 1648 a descoperit fenomenul de dispersie a luminii.

În secolul al XVII-lea În legătură cu dezvoltarea opticii, problema naturii luminii a început să trezească tot mai mult interes. În același timp, se formează treptat două teorii opuse ale luminii: corpusculară și ondulatorie. A existat un teren mai favorabil pentru dezvoltarea teoriei corpusculare a luminii. Într-adevăr, pentru optica geometrică, ideea că lumina este un flux de particule speciale era destul de naturală. Propagarea rectilinie a luminii, precum și legile reflexiei și refracției au fost bine explicate din punctul de vedere al acestei teorii.

De asemenea, ideea generală a structurii materiei nu a intrat în conflict cu teoria corpusculară a luminii. La acea vreme, opiniile asupra structurii materiei se bazau pe atomistică. Toate corpurile sunt formate din atomi. Există spațiu gol între atomi. În special, atunci s-a crezut că spațiul interplanetar este gol. Răspândește lumina din corpuri cerești sub formă de fluxuri de particule luminoase. Prin urmare, este destul de firesc ca în secolul al XVII-lea. au fost mulți fizicieni care au aderat la teoria corpusculară a luminii. În același timp, conceptul de natura ondulatorie a luminii a început să se dezvolte. Descartes poate fi considerat fondatorul teoriei ondulatorii a luminii.

Unitatea proprietăților corpusculare și ondulatorii ale radiației electromagnetice.

Fenomenele luate în considerare în această secțiune - radiația corpului negru, efectul fotoelectric, efectul Compton - servesc ca dovadă a ideilor cuantice (corpusculare) despre lumină ca flux de fotoni. Pe de altă parte, fenomene precum interferența, difracția și polarizarea luminii confirmă în mod convingător natura ondulatorie (electromagnetică) a luminii. În cele din urmă, presiunea și refracția luminii sunt explicate atât prin teoriile undelor, cât și prin teoriile cuantice. Astfel, radiația electromagnetică dezvăluie o unitate uimitoare de proprietăți aparent care se exclud reciproc - continue (unde) și discrete (fotoni), care se completează reciproc.

O analiză mai detaliată a fenomenelor optice duce la concluzia că proprietățile continuității, caracteristice câmpului electromagnetic al unei unde luminoase, nu trebuie să fie opuse proprietăților discretității, caracteristice unui foton. Lumina, având proprietăți atât corpusculare, cât și ondulatorii, dezvăluie anumite regularități în manifestarea lor. Astfel, proprietățile de undă ale luminii se manifestă în legile propagării sale, interferențe, difracție, polarizare și corpusculare - în procesele de interacțiune a luminii cu materia. Cu cât lungimea de undă este mai mare, cu atât energia și impulsul fotonului sunt mai mici și cu atât este mai dificilă detectarea proprietăților cuantice ale luminii (de exemplu, existența marginii roșii a efectului fotoelectric este legată de aceasta). Dimpotrivă, cu cât lungimea de undă este mai mică, cu atât energia și impulsul fotonului sunt mai mari și cu atât este mai dificil să se detecteze proprietățile undei (de exemplu, proprietățile undei (difracția) razelor X au fost descoperite numai după ce au fost folosite cristale. ca rețea de difracție).

Relația dintre proprietățile duble ale undelor corpusculare ale luminii poate fi explicată dacă, așa cum o face optica cuantică, se folosește o abordare statistică pentru a lua în considerare legile care guvernează luarea în considerare a luminii. De exemplu, difracția luminii printr-o fantă constă în faptul că atunci când lumina trece printr-o fantă, fotonii sunt redistribuiți în spațiu. Deoarece probabilitatea ca fotonii să lovească diferite puncte ale ecranului nu este aceeași, apare un model de difracție. Iluminarea ecranului este proporțională cu probabilitatea de a lovi fotonii pe unitatea de suprafață a ecranului. Pe de altă parte, conform teoriei undelor, iluminarea este proporțională cu pătratul amplitudinii undei luminoase în același punct de pe ecran. Prin urmare, pătratul amplitudinii unei unde luminoase într-un punct dat din spațiu este o măsură a probabilității ca fotonii să lovească acel punct.

Proprietățile undei ale luminii.

1.1 Dispersia.

Newton s-a orientat către studiul culorilor observate prin refracția luminii în legătură cu încercările de a îmbunătăți telescoapele. Dornic să obțină lentile posibile cea mai buna calitate, Newton s-a convins că principalul dezavantaj al imaginilor este prezența marginilor colorate. Investigand colorarea refractivă, Newton a făcut cele mai mari descoperiri optice ale sale.

Esența descoperirilor lui Newton este explicată prin următoarele experimente (Fig. 1) lumina de la un felinar luminează o gaură îngustă S (decalaj). Cu o lentilă L imaginea fantei se obține pe ecran MN sub forma unui dreptunghi alb scurt S `. Prin plasarea unei prisme în cale P , a carui margine este paralela cu fanta, vom constata ca imaginea fantei se va deplasa si se va transforma intr-o dunga colorata, tranzitiile de culoare in care de la rosu la violet sunt asemanatoare cu cele observate in curcubeu. Această imagine curcubeu a numit-o Newton spectru.

Dacă acoperiți golul cu sticlă colorată, de exemplu. Dacă direcționați lumina colorată către o prismă în loc de lumină albă, imaginea fantei va fi redusă 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 S `. Observația descrisă arată că razele de culori diferite sunt refractate diferit de o prismă.

Newton a verificat această concluzie importantă prin multe experimente. Cea mai importantă dintre ele a constat în determinarea indicelui de refracție al razelor de diferite culori extrase din spectru. În acest scop, pe ecran MN , pe care se obține spectrul, s-a tăiat o gaură; prin deplasarea ecranului, era posibil să se elibereze prin orificiu un fascicul îngust de raze de o culoare sau alta. Această metodă de evidențiere a razelor omogene este mai perfectă decât evidențierea cu sticlă colorată. Experimentele au arătat că un astfel de fascicul selectat, refractat în 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.

Experimentele descrise arată că pentru un fascicul colorat îngust izolat din spectru, indicele de refracție este destul de o anumită valoare, în timp ce refracția luminii albe nu poate fi caracterizată decât aproximativ de o valoare a acestui indicator. Comparând observații similare, Newton a concluzionat că există culori simple, care nu se descompun la trecerea printr-o prismă, și complexe, reprezentând un set de simple cu indici de refracție diferiți. În special, lumina soarelui există un astfel de set de culori care, cu ajutorul unei prisme, se descompune, dând o imagine spectrală a fantei.

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

1) Lumina de culori diferite este caracterizată de indici diferiți de refracție într-o anumită substanță (dispersie).

2) Albul este o colecție de culori simple.

În prezent știm asta Culori diferite corespund diferitelor lungimi de undă ale luminii. Prin urmare, prima descoperire a lui Newton poate fi formulată după cum urmează:

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 Difracția.

Unda de lumină nu se schimbă formă geometrică front în timpul propagării într-un mediu omogen. Cu toate acestea, dacă propagarea luminii se realizează într-un mediu neomogen, în care, de exemplu, există ecrane netransparente, regiuni ale spațiului cu o modificare relativ bruscă a indicelui de refracție etc., atunci o distorsiune a undei se observă front. În acest caz, intensitatea undei luminoase este redistribuită în spațiu. La iluminarea, de exemplu, a ecranelor opace cu o sursă de lumină punctuală la marginea umbrei, unde, conform legilor opticii geometrice, ar fi trebuit să existe o tranziție bruscă de la umbră la lumină, o serie de benzi întunecate și luminoase sunt observat, iar o parte din lumină pătrunde în regiunea umbrei geometrice. Aceste fenomene sunt legate de difracția luminii.

Deci, difracția luminii în sens restrâns este fenomenul de îndoire a luminii în jurul conturului corpurilor opace și a luminii care cade în regiunea unei umbre geometrice; în sens larg – orice abatere în propagarea luminii de la legile opticii geometrice.

Definiția lui Sommerfeld: Sub difracția luminii se înțelege orice abatere de la propagarea rectilinie, dacă nu poate fi explicată ca rezultat al reflexiei, refracției sau îndoirii razelor de lumină în medii cu un indice de refracție în continuă schimbare.

Dacă mediul conține particule minuscule (ceață) sau indicele de refracție se modifică vizibil la distanțe de ordinul unei lungimi de undă, atunci în aceste cazuri se vorbește despre împrăștierea luminii și nu se folosește termenul de „difracție”.

Există două tipuri de difracție a luminii. Când studiem modelul de difracție la un punct de observație situat la o distanță finită de un obstacol, avem de-a face cu difracția Fresnel. Dacă punctul de observație și sursa de lumină sunt situate atât de departe de obstacol încât razele care intră pe obstacol și razele care merg spre punctul de observare pot fi considerate fascicule paralele, atunci se vorbește de difracție în raze paralele - difracția Fraunhofer.

Teoria difracției ia în considerare procesele undelor în cazurile în care există obstacole în calea de propagare a undelor.

Folosind teoria difracției, ele rezolvă probleme precum protecția împotriva zgomotului folosind ecrane acustice, propagarea undelor radio pe suprafața Pământului, funcționarea instrumentelor optice (deoarece imaginea dată de lentilă este întotdeauna un model de difracție), măsurători de calitate a suprafeței. , studiul structurii materiei și multe altele.

1.3 Polarizare

Fenomenele de interferență și difracție, care au servit la fundamentarea naturii ondulatorii a luminii, nu oferă încă o imagine completă a naturii undelor luminoase. Caracteristici noi ne sunt dezvăluite prin experiența trecerii luminii prin cristale, în special prin turmalină.

Luați două plăci dreptunghiulare identice de turmalină, tăiate astfel încât una dintre laturile dreptunghiului să coincidă cu o anumită direcție în interiorul cristalului, care se numește axa optică. Să punem o farfurie pe alta, astfel încât axele lor să coincidă în direcție și să lăsăm un fascicul îngust de lumină de la un felinar sau un soare să treacă prin perechea de plăci pliate. Deoarece turmalina este un cristal maro-verde, urma fasciculului de întâlnire de pe ecran va apărea ca o pată verde închis. Să începem să întoarcem una dintre plăci în jurul grinzii, lăsând-o pe a doua nemișcată. Vom constata că urma fasciculului devine mai slabă, iar când placa se rotește cu 90 0 , aceasta dispare cu totul. Odată cu rotirea în continuare a plăcii, fasciculul transmis va începe să crească din nou și să atingă intensitatea anterioară atunci când placa se rotește prin 180 0 , adică. când axele optice ale plăcilor sunt din nou paralele. Odată cu rotirea în continuare a turmalinei, fasciculul slăbește din nou.

Toate fenomenele observate pot fi explicate dacă se trag următoarele concluzii.

Vibrațiile luminii din fascicul sunt direcționate perpendicular pe linia de propagare a luminii (undele luminoase sunt transversale).

Turmalina este capabilă să transmită vibrații luminoase numai atunci când acestea sunt direcționate într-un anumit mod față de axa sa.

În lumina unui felinar (soare), sunt prezente vibrații transversale de orice direcție și, în plus, în aceeași proporție, astfel încât niciuna dintre direcții nu este predominantă.

Concluzia 3 explică de ce lumina naturală trece prin turmalină în aceeași măsură în orice orientare, deși turmalina, conform concluziei 2, este capabilă să transmită vibrațiile luminii doar într-o anumită direcție. Tutorial lumina naturala prin turmalina duce la faptul ca doar acele vibratii care pot fi trecute de turmalina sunt selectate dintre vibratiile transversale. Prin urmare, lumina care trece prin turmalina va fi un set de vibrații transversale într-o direcție, determinate de orientarea axei turmalinei. O astfel de lumină o vom numi polarizat liniar, iar planul care conține direcția de oscilație și axa fasciculului luminos va fi numit plan de polarizare.

Acum devine clar experimentul cu trecerea luminii prin două plăci de turmalină așezate succesiv. Prima placă polarizează fasciculul de lumină care trece prin ea, lăsând în ea o singură direcție de oscilație. Aceste vibratii pot trece complet prin a doua turmalina numai daca directia lor coincide cu directia vibratiilor transmise de a doua turmalina, i.e. când axa sa este paralelă cu axa primului. Daca directia vibratiilor in lumina polarizata este perpendiculara pe directia vibratiilor transmise de a doua turmalina, atunci lumina va fi complet blocata. Dacă direcţia de oscilaţie în lumina polarizată este colt ascutit cu direcția trecută de turmalină, vibrațiile vor fi doar parțial ratate.

Proprietățile cuantice ale luminii.

2.1 Efect fotoelectric.

Ipoteza lui Planck despre cuante a servit drept bază pentru explicarea fenomenului efectului fotoelectric, descoperit în 1887. Fizicianul german Heinrich Hertz.

Fenomenul efectului fotoelectric este detectat la iluminarea unei plăci de zinc conectată la tija unui electrometru. Dacă placa și tija sunt transferate sarcină pozitivă, atunci electrometrul nu se descarcă atunci când placa este iluminată. Când o sarcină electrică negativă este transmisă plăcii, electrometrul este descărcat imediat ce lovește placa. radiații ultraviolete. Această experiență demonstrează că de la suprafață placa metalica sub influența luminii poate fi eliberat negativ sarcini electrice. Măsurătorile sarcinii și masei particulelor ejectate de lumină au arătat că aceste particule sunt electroni.

Există mai multe tipuri de efecte fotoelectrice: efect fotoelectric extern și intern, efect fotoelectric de supapă și o serie de alte efecte.

Efectul fotoelectric extern este fenomenul de extragere a electronilor dintr-o substanță sub acțiunea luminii care cade asupra acesteia.

Efectul fotoelectric intern este apariția electronilor liberi și a găurilor într-un semiconductor ca urmare a ruperii legăturilor dintre atomi din cauza energiei luminii incidente pe semiconductor.

Efectul fotoelectric de poartă este apariția unei forțe electromotoare sub acțiunea luminii într-un sistem care conține contactul a doi semiconductori diferiți sau un semiconductor și un metal.

2.2 Efectul Compton.

Cele mai complete proprietăți corpusculare ale luminii se manifestă în efectul Compton. Fizicianul american A. Compton (1892-1962), în 1923, studiind împrăștierea radiațiilor monocromatice de raze X de către substanțe cu atomi de lumină (parafină, bor), a descoperit că în compoziția radiației împrăștiate, împreună cu radiația de se observă și radiația cu lungimea de undă inițială, cu lungime de undă mai mare.

Efectul Compton se numește împrăștiere elastică a radiațiilor electromagnetice cu undă scurtă (raze X și radiații gamma) pe electronii liberi (sau slab legați) ai unei substanțe, însoțită de o creștere a lungimii de undă. Acest efect nu se încadrează în cadrul teoriei undelor, conform căreia lungimea de undă nu ar trebui să se schimbe în timpul împrăștierii: sub acțiunea unui câmp periodic al unei unde luminoase, un electron oscilează cu frecvența câmpului și, prin urmare, emite unde împrăștiate. de aceeasi frecventa.

Explicația efectului Compton este dată pe baza conceptelor cuantice ale naturii luminii. Dacă presupunem, așa cum face teoria cuantică, că radiația este de natură corpusculară.

Efectul Compton este observat nu numai asupra electronilor, ci și asupra altor particule încărcate, cum ar fi protonii, cu toate acestea, datorită masei mari a protonului, recul acestuia este „vizibil” doar atunci când fotonii de energii foarte mari sunt împrăștiați.

Atât efectul Compton, cât și efectul fotoelectric bazat pe concepte cuantice se datorează interacțiunii fotonilor cu electronii. În primul caz, fotonul este împrăștiat, în al doilea, este absorbit. Difuzarea are loc atunci când un foton interacționează cu electronii liberi, iar efectul fotoelectric are loc atunci când interacționează cu electronii legați. Se poate demonstra că atunci când un foton se ciocnește cu electronii liberi, absorbția unui foton nu poate avea loc, deoarece aceasta este în conflict cu legile conservării impulsului și energiei. Prin urmare, atunci când fotonii interacționează cu electronii liberi, se poate observa doar împrăștierea lor, adică. Efectul Compton.

Concluzie.

Deci, lumina este corpusculară în sensul că energia, impulsul, masa și spinul ei sunt localizate în fotoni și nu sunt estompate în spațiu, dar nu în sensul că un foton poate fi localizat într-un loc dat, precis definit în spațiu. Lumina se comportă ca o undă în sensul că propagarea și distribuția fotonilor în spațiu sunt probabiliste: probabilitatea ca un foton să se afle într-un punct dat este dată de pătratul amplitudinii în acel punct. Dar natura probabilistică (undă) a distribuției fotonilor în spațiu nu înseamnă că un foton se află într-un anumit punct în fiecare moment de timp.

Astfel, lumina combină continuitatea undelor și discretitatea particulelor. Dacă luăm în considerare faptul că fotonii există doar atunci când se mișcă (cu o viteză c), atunci ajungem la concluzia că atât proprietățile ondulatorii, cât și cele corpusculare sunt simultan inerente luminii. Dar în unele fenomene, în anumite condiții, fie undă, fie proprietăți corpusculare joacă rolul principal, iar lumina poate fi considerată fie ca undă, fie ca particule (corpuscule).

Lista literaturii folosite.

1) A.A. Detlaf B.M. Yavorsky „Cursul de fizică” ed. „Liceu” 2000

2) T.I. Trofimov „Curs de fizică” ed. „Liceu” 2001

3) H. Kuhling „Manualul de fizică” ed. „Pace” 1982

4) Gursky I.P. „Fizica elementară” ed. I.V. Saveleva 1984

5) Tarasov L.V., Tarasova A.N. „Convorbiri despre refracția luminii” / ed. V.A.

Fabricant, ed. „Știință”, 1982.

Dualitatea undă-particulă a luminii înseamnă că lumina are simultan proprietățile undelor electromagnetice continue și proprietățile fotonilor discreti. Această concluzie fundamentală a fost făcută de fizicieni în secolul al XX-lea și a rezultat din ideile anterioare despre lumină. Newton credea că lumina este un flux de corpusculi, adică un flux de particule de materie care zboară rectiliniu. O astfel de teorie explica bine propagarea rectilinie a luminii. Dar au apărut dificultăți în explicarea legilor reflexiei și refracției, iar fenomenele de difracție și interferență nu au putut fi explicate deloc prin teoria corpusculară. Prin urmare, a apărut teoria ondulatorie a luminii. Această teorie a explicat difracția și interferența, dar au existat dificultăți în explicarea luminii rectilinie. Abia în secolul al XIX-lea, J. Fresnel, folosindu-se de descoperirile altor fizicieni, a reușit să combine principiile deja derivate într-o singură teorie, conform căreia lumina este transversală. undă mecanică. Maxwell a descoperit mai târziu că lumina este un tip de radiație electromagnetică. Dar la începutul secolului al XX-lea, datorită descoperirilor lui Einstein, ideile despre lumină s-au schimbat din nou. Lumina a început să fie înțeleasă ca un flux de fotoni. Dar anumite proprietăți ale luminii au fost explicate perfect și de teoria undelor. Lumina are proprietăți atât corpusculare, cât și ondulatorii. În acest caz, există următoarele regularități: cu cât lungimea de undă este mai scurtă, cu atât se manifestă mai luminoase proprietățile corpusculare, cu atât lungimea de undă este mai mare, cu atât se manifestă mai luminoase proprietățile undei.

Potrivit lui de Broglie, fiecare micro-obiect este asociat, pe de o parte, cu caracteristici corpusculare - energia E și impulsul p, iar pe de altă parte - caracteristicile undei - frecvența și lungimea de undă.

În 1924, fizicianul francez L. de Broglie a avansat o ipoteză îndrăzneață: dualitatea undă-particulă are un caracter universal, adică. toate particulele cu impuls finit P au proprietăți de undă. Așa a apărut celebra formulă de Broglie în fizică unde m este masa unei particule, V este viteza acesteia, h este constanta lui Planck.

Asa de, proprietățile corpusculare și ondulatorii ale unui micro-obiect sunt incompatibile în ceea ce privește manifestarea lor simultană, dar ele caracterizează în egală măsură obiectul, i.e. se completează reciproc. Această idee a fost exprimată de N. Bohr și pusă de acesta la baza celui mai important principiu metodologic stiinta moderna, care acoperă în prezent nu numai științele fizice, ci toate științele naturii - principiul complementarității (1927). esență Principiul complementarității conform lui N. Bohr se reduce la următoarele: indiferent cât de mult depășesc fenomenele din cadrul explicației fizice clasice, toate datele experimentale trebuie descrise folosind concepte clasice. Pentru descriere completa fenomene mecanice cuantice, este necesar să se aplice două seturi (suplimentare) de concepte clasice care se exclud reciproc, a căror totalitate oferă cele mai complete informații despre aceste fenomene ca integrale.

Principiul complementarității principiu general cunoașterea poate fi formulată astfel: orice adevărat fenomen al naturii nu poate fi definit fără ambiguitate folosind cuvintele limbajului nostru și necesită pentru definirea sa cel puțin două care se exclud reciproc. concepte suplimentare. Astfel de fenomene includ, de exemplu, fenomenele cuantice, viața, psihicul etc. Bohr, în special, a văzut necesitatea aplicării principiului complementarității în biologie, care se datorează extrem de structura complexași funcțiile organismelor vii, care le oferă posibilități ascunse practic inepuizabile.