Énergie corpusculaire. Résumé : Dualisme des ondes corpusculaires

La lumière est longtemps restée l’un des principaux objets d’étude. De nombreux scientifiques ont cherché à comprendre sa nature, mais cela s’est avéré difficile en raison de capacités limitées. La toute première théorie qui a tenté d’expliquer la nature de la lumière était la théorie des ondes. Pendant longtemps, cela a été considéré comme correct et vrai, et il n’y avait aucune condition préalable à la formation de la dualité onde-particule. À cette époque, il existait une opinion en physique selon laquelle la lumière, de par sa nature, était une onde et que les atomes et autres petites particules n'avaient que des propriétés corpusculaires.

La théorie a commencé à s'effondrer parce qu'elle ne pouvait pas être expliquée. À la suite de ses expériences, Rutherford a supposé que le noyau de l'atome était au centre, que la majeure partie de la masse y était concentrée et que les électrons étaient répartis dans tout l'espace. volume entier, remplissant librement l'espace. Mais la théorie n’a pas été confirmée car, selon les calculs, un tel système ne pourrait pas être stable.

Conditions préalables à la formation d'une nouvelle théorie

Plus tard, on a découvert le phénomène de l'effet photoélectrique, qui dépassait le cadre de la physique classique, alors dominante. Par la suite, c'est l'effet photoélectrique qui a contribué à former le dualisme particule-onde, car cela a conduit à la nécessité de créer. Sa particularité était que les particules acquéraient des propriétés qui auraient été impossibles si elles étaient considérées à la lumière des principes de la physique classique. La dualité onde-particule est devenue l'une des premières théories étudiées dans le nouveau

L'essence de l'effet photoélectrique était que les substances ordinaires, lorsqu'elles sont exposées à un rayonnement à ondes courtes, émettent des électrons rapides. La principale différence avec la physique classique résidait dans le fait que l’énergie des électrons rapides émis ne dépendait pas de l’intensité du rayonnement. Les seules choses qui comptaient étaient les propriétés de la substance elle-même, ainsi que la fréquence du rayonnement. À cette époque, il n’était pas possible d’expliquer les mécanismes de libération des photoélectrons sur la base des données disponibles.

La théorie des vagues semblait harmonieuse et indéniable. Selon lui, l’énergie du rayonnement était uniformément répartie dans l’onde lumineuse. Lorsqu'il frappe un électron, il lui transmet une certaine quantité d'énergie. Ainsi, selon cette théorie, plus l'intensité est élevée, plus l'énergie est grande. Cependant, en réalité, tout s'est passé un peu différemment.

Développement de l'idée de dualisme

Albert Einstein a commencé à exprimer des idées sur la nature discrète de la lumière. La théorie quantique des champs et les concepts de champs quantiques ont également commencé à se développer, ce qui a contribué à former la dualité onde-particule.

L'essentiel est que la lumière peut être influencée et qu'elle possède donc les propriétés physiques d'un flux de particules - des photons. Mais en même temps, dans des phénomènes tels que la diffraction, il démontre des propriétés ondulatoires évidentes. Un certain nombre d'expériences ont été réalisées prouvant la dualité de la structure de la lumière. C'est sur leur base que s'est construit le dualisme onde-particule de la lumière, c'est-à-dire le photon présente des propriétés corpusculaires, mais dans un certain nombre d'expériences, il présentait des manifestations claires des propriétés ondulatoires.

Il faut comprendre que de telles idées n’ont actuellement qu’un intérêt historique. Le dualisme onde-particule des propriétés de la matière a été formé comme théorie à l'époque où l'étude de ces propriétés commençait tout juste, et en même temps de nouvelles branches de la physique étaient fondées. Une telle théorie était une tentative d’expliquer de nouveaux phénomènes dans le langage de la physique classique.

En fait, du point de vue de la physique quantique, de tels objets ne sont pas des particules, du moins au sens classique du terme. Ils n'acquièrent certaines propriétés que lorsqu'ils sont approchés. Cependant, la théorie du dualisme est encore utilisée pour expliquer certains principes de la nature de la lumière.

Le terme « dualisme » en physique au sens large signifie :

1) l'existence de propriétés opposées dans les objets physiques ;

2) l'utilisation de concepts opposés pour décrire et expliquer des phénomènes physiques ;

3) la présence d'énoncés opposés (mutuellement exclusifs) dans la formulation des lois régissant les phénomènes physiques.

Les manifestations les plus fondamentales du dualisme sont :

1) dualisme particule-onde dans les propriétés des particules élémentaires ;

2) la présence dans la nature de particules et d'antiparticules, de charges électriques opposées, de différents signes des nombres de leptons et de baryons (voir Partie IV, § 23), etc. ;

3) propriétés opposées des particules de matière et des champs de force, c'est-à-dire matière « corpusculaire » et « de champ » ;

4) utilisation des concepts « énergie » et « travail » ;

5) l'existence dans les systèmes physiques de forces répulsives et attractives dont l'action simultanée détermine les propriétés des systèmes physiques ;

6) lien entre les changements quantitatifs et qualitatifs dans les propriétés des systèmes physiques ;

7) l'absence d'ambiguïté et de probabilité dans les lois de la physique ;

8) la discrétion et la continuité dans la nature, le lien entre eux, etc.

L'essence du dualisme (c'est-à-dire le contenu des termes « propriétés opposées », « concepts », « énoncés ») peut être montrée par l'exemple d'une combinaison de propriétés corpusculaires et ondulatoires dans des particules élémentaires (photons, électrons, etc.) . Le texte (voir Partie IV, § 10-12) montrait que :

1) les propriétés corpusculaires et ondulatoires des particules sont indissociables les unes des autres. Chaque particule possède ces deux propriétés dans l'unité et

conditionnalité mutuelle, et il n’existe aucun moyen de priver une particule d’une de ces propriétés. Apparemment, il n’existe pas de particules qui aient uniquement des propriétés corpusculaires ou uniquement ondulatoires ;

2) les propriétés corpusculaires et ondulatoires sont irréductibles les unes aux autres. Cela signifie que les propriétés ondulatoires d’une particule ne peuvent pas être expliquées par les propriétés corpusculaires, et vice versa ;

3) les propriétés corpusculaires et ondulatoires sont inextricablement liées.

La dualité onde-particule est à la base de la physique quantique, qui décrit les systèmes et processus microphysiques. Ainsi, l’une des branches les plus importantes de la physique moderne est de nature et de contenu dualistes. La fonction d'onde continue des particules et des systèmes physiques, d'une part, et les propriétés corpusculaires de ces mêmes particules et systèmes, d'autre part, existent en physique quantique dans l'unité et la connexion mutuelle. Toutes les tentatives visant à éliminer ce dualisme ont échoué. Par conséquent, on peut affirmer que le dualisme dans la théorie quantique n'est pas un phénomène secondaire temporaire, aléatoire, causé, par exemple, par des difficultés dans la description des systèmes microphysiques, mais le reflet du dualisme objectif qui prévaut dans la nature.

Considérons une autre manifestation du dualisme dans la nature : la présence de particules et d'antiparticules. Notons d'abord que les propriétés physiques des particules peuvent être divisées en deux groupes :

1) des propriétés qui diffèrent entre les différentes particules uniquement par leur taille ; Le plus important d’entre eux est la masse inerte. A noter que la masse n'est pas une propriété additive (la masse d'un système physique est inférieure à la somme des masses des particules constitutives mesurées à l'état libre), elle dépend de l'état de la particule (vitesse de déplacement) et des conditions dans lequel se trouve la particule (la masse des nucléons dans le domaine des forces nucléaires diffère de leur masse en dehors du noyau) ;

2) des propriétés qui diffèrent qualitativement, par exemple des charges électriques opposées. A noter que les charges sont additives et ne dépendent pas de la vitesse de déplacement et des conditions dans lesquelles se trouvent les particules chargées. Cela signifie que les charges (ainsi que les nombres leptoniques et baryoniques) sont des propriétés plus fondamentales des particules que la masse inertielle.

Les particules élémentaires peuvent être triées selon un ensemble de propriétés fondamentales qui leur sont inhérentes. En fonction de la nature et du nombre de ces propriétés, le contenu de concepts tels que particules « identiques » ou « différentes » est déterminé. Il est évident que l'identité des particules (ou des objets physiques en général) est le cas limite de la similitude, lorsqu'il n'y a pas de différence entre les objets : ni dans l'ensemble des propriétés qui leur sont inhérentes, ni dans leur structure, leur état et leur comportement sous conditions différentes (ces objets identiques sont des particules élémentaires d'un certain type, étant dans les mêmes conditions). L'opposition d'objets physiques doit être considérée comme un cas extrême de différence, lorsque cette différence est complète, c'est-à-dire que les objets n'ont pas de propriétés identiques.

Notez que les particules et les antiparticules dans ce sens ne sont pas opposées, car en plus d'être différentes, elles ont également les mêmes propriétés (par exemple, un électron et un positon ont des charges différentes, mais le même spin et la même masse au repos). Ainsi, les particules et les antiparticules sont des objets polaires, mais pas opposés.

En relation avec ce qui précède, les questions suivantes se posent :

1) les « objets opposés » existent-ils dans la nature ;

2) une interaction entre eux est-elle possible, quelles sont les caractéristiques de cette interaction et sa signification dans la nature ;

3) en quoi les interactions entre objets identiques, polaires et opposés diffèrent-elles ?

La discussion de ces questions a une signification idéologique importante ; les résultats positifs de cette discussion permettront de clarifier nos idées sur le fonctionnement de la nature qui nous entoure. Une telle discussion doit être menée sur la base d’un système philosophique spécifique et touchera toutes les branches de la physique. En particulier, on peut croire que les objets opposés dans la nature sont la « matière » et les « champs ». Par « matière », nous entendons généralement les particules élémentaires et les systèmes qui les composent : noyaux atomiques, atomes, molécules, etc. ; « champ » fait référence à divers champs de force : gravitationnel, électromagnétique, nucléaire, etc. Il existe deux idées sur les champs. L’un d’eux suppose que les champs remplissent continuellement l’espace autour des particules de matière et, étant « d’une manière particulière » connectés à elles, déterminent la nature et l’intensité de l’interaction entre elles. Un autre point de vue suggère que chaque champ est constitué de « particules de champ spéciales » qui sont émises et absorbées par les particules de matière et génèrent ainsi des forces d'interaction entre elles. Par exemple, le champ électromagnétique est considéré comme constitué de photons (« gaz photonique ») ; si leur nombre par unité de volume est très grand, alors le champ électromagnétique se comportera comme un milieu continu ; si ce nombre est petit et que les processus auxquels participent des photons individuels sont étudiés, alors le concept de champ électromagnétique en tant que milieu continu perd son sens.

Il convient ici de souligner que les idées actuellement existantes sur la matière et les champs ne doivent pas être considérées comme définitives. Le développement de la physique expérimentale et théorique peut conduire non seulement à une clarification, mais aussi à des changements radicaux dans nos idées sur la nature et l'essence des phénomènes qui s'y produisent. Il est possible qu'à l'avenir triomphent les visions du monde monistes, selon lesquelles la nature se compose : 1) soit uniquement de particules de matière, et le champ n'est qu'un moyen de décrire l'interaction entre elles ; 2) soit uniquement provenant de domaines différents, et les particules de matière ne sont que leurs « points particuliers ». Cependant, il est possible que toutes les données expérimentales connues reçoivent une explication satisfaisante sur la base d'une vision du monde dualiste, dans laquelle la matière et les champs sont considérés comme des objets opposés, irréductibles et inséparables les uns des autres, dont l'interaction inextricable est à la base de tous les phénomènes naturels que nous observons.

Le dualisme se révèle aussi dans l'existence simultanée d'une description probabiliste et sans ambiguïté des phénomènes physiques. La description classique, strictement déterministe, ne peut être exclue de la physique ; il est nécessaire de décrire le déroulement le plus probable des phénomènes physiques. En revanche, il existe toujours une dispersion dans les états des objets étudiés (et les grandeurs physiques qui décrivent ces états), et cette dispersion est de nature probabiliste. Actuellement, l'existence objective de processus probabilistes dans la nature est considérée comme justifiée théoriquement et expérimentalement ; en physique quantique (voir Partie IV, § 10, 11), le caractère unique du comportement des particules élémentaires et des microsystèmes est généralement nié. Cela ne signifie pas un déni complet de l'unicité (déterminisme) de la nature, mais seulement une limitation du champ d'action. La certitude et la probabilité sont des concepts dualistes ; ils sont indissociables (une dispersion probabiliste existe autour des valeurs les plus probables incluses dans des lois sans ambiguïté), irréductibles (il est impossible de se limiter à une seule manière de décrire les phénomènes physiques), et leur connexion mutuelle est visible dans presque toutes les branches de physique.

Le dualisme des particules élémentaires est essentiel dans la formation des propriétés des systèmes physiques formés à partir de ces particules. En considérant les systèmes microphysiques connus, on peut remarquer qu’ils sont finalement formés de diverses particules. Soit les particules identiques n’interagissent pas, soit elles se repoussent et ne forment pas un système physique doté de propriétés qualitativement nouvelles. Par exemple, les protons, les neutrons et les électrons ne forment pas individuellement des systèmes physiques, mais lorsqu'ils sont combinés, ils forment des noyaux et des atomes de diverses substances. On peut affirmer que dans un ensemble de particules élémentaires identiques, il y a toujours une simple addition (additif) de leurs propriétés. Ce n'est que lors de l'interaction de particules ayant des propriétés opposées qu'une synthèse spéciale (qualitative) de ces propriétés se produit, grâce à laquelle les systèmes physiques acquièrent de nouvelles propriétés. Ainsi, on peut affirmer que l’émergence de propriétés qualitativement nouvelles n’est possible que grâce à l’interaction de particules essentiellement différentes.

Le dualisme objectif de la nature se reflète dans les concepts physiques les plus importants. Un exemple typique est celui des concepts de discrétion et de continuité. Ils ne sont pas réductibles les uns aux autres ; sinon, on pourrait se limiter à n’utiliser qu’un seul de ces concepts. Dans l’histoire de la physique, on connaît des tentatives visant à exclure la discrétion ou la continuité de la description des phénomènes, mais elles n’ont pas abouti. Ils sont indissociables les uns des autres et inextricablement liés dans tous les phénomènes physiques, puisqu'ils impliquent nécessairement des particules et des champs, introduisant des éléments de discrétion et de continuité dans leurs propriétés fondamentales.

En conclusion, nous notons que la physique elle-même en tant que science se développe sur la base de l'interaction de deux parties opposées - théorique et expérimentale, qui sont indissociables et interconnectées, irréductibles l'une à l'autre et interagissent, déterminant la direction et le déroulement du développement de la physique. sciences.

Introduction

Presque simultanément, deux théories de la lumière furent avancées : la théorie corpusculaire de Newton et la théorie ondulatoire de Huygens.

Selon la théorie corpusculaire, ou théorie de l'écoulement, avancée par Newton à la fin du XVIIe siècle, les corps lumineux émettent de minuscules particules (corpuscules) qui volent droit dans toutes les directions et, lorsqu'elles pénètrent dans l'œil, provoquent une sensation de lumière. .

Selon la théorie ondulatoire, un corps lumineux provoque des vibrations élastiques dans un milieu spécial remplissant tout l'espace cosmique - l'éther du monde - qui se propagent dans l'éther comme des ondes sonores dans l'air.

À l'époque de Newton et de Huygens, la plupart des scientifiques adhéraient à la théorie corpusculaire de Newton, qui expliquait de manière tout à fait satisfaisante tous les phénomènes lumineux connus à cette époque. La réflexion de la lumière a été expliquée de la même manière que la réflexion des corps élastiques lors d'un impact avec un avion. La réfraction de la lumière s'expliquait par l'action de forces attractives importantes sur les corpuscules provenant d'un milieu plus dense. Sous l'influence de ces forces, qui se manifestent, selon la théorie de Newton, à l'approche d'un milieu plus dense, les corpuscules légers recevaient une accélération dirigée perpendiculairement à la limite de ce milieu, ce qui leur faisait changer la direction du mouvement et à la en même temps, ils ont augmenté leur vitesse. D’autres phénomènes lumineux ont été expliqués de la même manière.

Par la suite, de nouvelles observations apparues ne rentraient pas dans le cadre de cette théorie. En particulier, l’incohérence de cette théorie a été découverte lors de la mesure de la vitesse de propagation de la lumière dans l’eau. Il s'est avéré qu'il n'y en avait pas plus, mais moins que dans l'air.

Au début du XIXe siècle, la théorie ondulatoire de Huygens, non reconnue par ses contemporains, fut développée et améliorée par Young et Fresnel et reçut une reconnaissance universelle. Dans les années 60 du siècle dernier, après que Maxwell ait développé la théorie du champ électromagnétique, il s'est avéré que la lumière était constituée d'ondes électromagnétiques. Ainsi, la théorie mécaniste ondulatoire de la lumière a été remplacée par la théorie électromagnétique ondulatoire. Les ondes lumineuses (spectre visible) occupent la plage de 0,4 à 0,7 µm sur l'échelle des ondes électromagnétiques. La théorie ondulatoire de la lumière de Maxwell, qui traite le rayonnement comme un processus continu, n'a pas pu expliquer certains des phénomènes optiques récemment découverts. Elle a été complétée par la théorie quantique de la lumière, selon laquelle l'énergie d'une onde lumineuse est émise, distribuée et absorbée non pas en continu, mais en certaines parties - quanta de lumière, ou photons - qui dépendent uniquement de la longueur de l'onde lumineuse. Ainsi, selon les concepts modernes, la lumière possède à la fois des propriétés ondulatoires et corpusculaires.

Interférence de la lumière

Les ondes qui créent des oscillations en tout point de l'espace avec une différence de phase qui ne change pas dans le temps sont dites cohérentes. Dans ce cas, la différence de phase a une valeur constante, mais généralement différente pour différents points de l'espace. Il est évident que seules des ondes de même fréquence peuvent être cohérentes.

Lorsque plusieurs ondes cohérentes se propagent dans l'espace, les oscillations générées par ces ondes se renforcent en certains points et s'affaiblissent en d'autres. Ce phénomène est appelé interférence des ondes. Des vagues de toute nature physique peuvent interférer. Nous examinerons l'interférence des ondes lumineuses.

Les sources d'ondes cohérentes sont également appelées cohérentes. Lorsqu'une certaine surface est éclairée par plusieurs sources lumineuses cohérentes, des bandes alternées claires et sombres apparaissent généralement sur cette surface.

Deux sources lumineuses indépendantes, par exemple deux lampes électriques, ne sont pas cohérentes. Les ondes lumineuses qu’ils émettent sont le résultat de l’addition d’un grand nombre d’ondes émises par des atomes individuels. L'émission d'ondes par les atomes se produit de manière aléatoire et il n'existe donc pas de relations constantes entre les phases des ondes émises par deux sources.

Lorsque la surface est éclairée par des sources incohérentes, le motif de bandes claires et sombres alternées caractéristiques des interférences n'apparaît pas. L'éclairage en chaque point s'avère être égal à la somme de l'éclairage créé par chacune des sources séparément.

Les ondes cohérentes sont produites en divisant un faisceau de lumière provenant d'une source en deux ou plusieurs faisceaux distincts.

Des interférences lumineuses peuvent être observées lors de l'éclairage d'une plaque transparente d'épaisseur variable, notamment une plaque en forme de coin, avec des rayons monochromatiques (unicolores). L'œil de l'observateur recevra les ondes réfléchies par les surfaces avant et arrière de la plaque. Le résultat de l’interférence est déterminé par la différence de phase entre les deux ondes, qui change progressivement avec l’épaisseur de la plaque. L'éclairage change en conséquence : si la différence dans le trajet des ondes interférentes en un certain point de la surface de la plaque est égale à un nombre pair de demi-ondes, alors à ce stade la surface apparaîtra claire si la différence de phase ; est un nombre impair de demi-ondes, il apparaîtra sombre.

Lorsqu'une plaque plane parallèle est éclairée par un faisceau parallèle, la différence de phase des ondes lumineuses réfléchies par ses surfaces avant et arrière est la même en tous points - la plaque apparaîtra uniformément éclairée.

Autour du point de contact d'un verre légèrement convexe avec un verre plat, lorsqu'il est éclairé par une lumière monochromatique, on observe des anneaux sombres et clairs - les anneaux dits de Newton. Ici, la couche d'air la plus fine entre les deux verres joue le rôle d'un film réfléchissant, ayant une épaisseur constante le long de cercles concentriques.

Diffraction de la lumière.

Une onde lumineuse ne modifie pas la forme géométrique du front lorsqu'elle se propage dans un milieu homogène. Cependant, si la lumière se propage dans un milieu inhomogène, dans lequel se trouvent par exemple des écrans opaques, des zones de l'espace avec un changement relativement brusque de l'indice de réfraction, etc., alors une distorsion du front d'onde est observée. Dans ce cas, une redistribution de l'intensité de l'onde lumineuse se produit dans l'espace. Lors de l'éclairage, par exemple, d'écrans opaques avec une source de lumière ponctuelle à la limite de l'ombre, là où, selon les lois de l'optique géométrique, il devrait y avoir une transition abrupte de l'ombre à la lumière, un certain nombre de bandes sombres et claires sont observée ; une partie de la lumière pénètre dans la région de l’ombre géométrique. Ces phénomènes concernent la diffraction de la lumière.

Ainsi, la diffraction de la lumière au sens étroit est le phénomène de lumière se courbant autour du contour de corps opaques et de lumière entrant dans la région d'une ombre géométrique ; au sens large - tout écart dans la propagation de la lumière par rapport aux lois de l'optique géométrique.

Définition de Sommerfeld : par diffraction de la lumière, on entend tout écart par rapport à la propagation rectiligne, s'il ne peut pas être expliqué par la réflexion, la réfraction ou la courbure des rayons lumineux dans des milieux dont l'indice de réfraction change continuellement.

Si le milieu contient de minuscules particules (brouillard) ou si l'indice de réfraction change sensiblement sur des distances de l'ordre de la longueur d'onde, alors dans ces cas on parle de diffusion de la lumière et le terme « diffraction » n'est pas utilisé.

Il existe deux types de diffraction de la lumière. En étudiant le diagramme de diffraction en un point d'observation situé à une distance finie d'un obstacle, on a affaire à la diffraction de Fresnel. Si le point d'observation et la source lumineuse sont situés si loin de l'obstacle que les rayons incidents sur l'obstacle et les rayons allant au point d'observation peuvent être considérés comme des faisceaux parallèles, alors on parle de diffraction en rayons parallèles - diffraction de Fraunhofer.

La théorie de la diffraction considère les processus ondulatoires dans les cas où il existe des obstacles sur le chemin de propagation des ondes.

Grâce à la théorie de la diffraction, des problèmes tels que la protection contre le bruit à l'aide d'écrans acoustiques, la propagation des ondes radioélectriques à la surface de la Terre, le fonctionnement des instruments optiques (puisque l'image donnée par une lentille est toujours une image de diffraction), les mesures de qualité de surface, la étude de la structure de la matière, et bien d'autres sont résolus.

Polarisation de la lumière

Les phénomènes d'interférence et de diffraction, qui ont servi à justifier la nature ondulatoire de la lumière, ne donnent pas encore une image complète de la nature des ondes lumineuses. De nouvelles fonctionnalités nous sont révélées par l'expérience du passage de la lumière à travers les cristaux, notamment la tourmaline.

Prenons deux plaques de tourmaline rectangulaires identiques, taillées de manière à ce que l'un des côtés du rectangle coïncide avec une certaine direction à l'intérieur du cristal, appelée axe optique. Plaçons une plaque l'une sur l'autre de manière à ce que leurs axes coïncident dans la direction, et faisons passer un étroit faisceau de lumière provenant d'une lanterne ou du soleil à travers la paire de plaques pliées. La tourmaline étant un cristal brun-vert, la trace du faisceau transmis apparaîtra sur l'écran sous la forme d'un point vert foncé. Commençons par faire tourner l'une des plaques autour de la poutre, en laissant la seconde immobile. Nous constaterons que la trace du faisceau s'affaiblit et lorsque la plaque tourne de 90 0, elle disparaît complètement. Avec une rotation supplémentaire de la plaque, le faisceau de croisement recommencera à s'intensifier et atteindra son intensité précédente lorsque la plaque tournera de 180 0, c'est-à-dire lorsque les axes optiques des plaques sont à nouveau parallèles. Avec la poursuite de la rotation de la tourmaline, le faisceau s'affaiblit à nouveau.

Tous les phénomènes observés peuvent être expliqués si les conclusions suivantes sont tirées.

1) Les vibrations lumineuses dans le faisceau sont dirigées perpendiculairement à la ligne de propagation de la lumière (les ondes lumineuses sont transversales).

2) La tourmaline est capable de transmettre des vibrations lumineuses uniquement lorsqu'elles sont dirigées d'une certaine manière par rapport à son axe.

3) A la lumière d'une lanterne (soleil), des vibrations transversales de n'importe quelle direction se présentent et, de plus, dans la même proportion, de sorte qu'aucune direction n'est prédominante.

La conclusion 3 explique pourquoi la lumière naturelle traverse la tourmaline dans la même mesure dans n'importe quelle orientation, bien que la tourmaline, selon la conclusion 2, ne soit capable de transmettre des vibrations lumineuses que dans une certaine direction. Le passage de la lumière naturelle à travers la tourmaline fait que les vibrations transversales sont sélectionnées uniquement celles qui peuvent être transmises par la tourmaline. Par conséquent, la lumière traversant la tourmaline sera un ensemble de vibrations transversales dans une direction, déterminée par l’orientation de l’axe de la tourmaline. Nous appellerons une telle lumière polarisée linéairement, et le plan contenant la direction d'oscillation et l'axe du faisceau lumineux - le plan de polarisation.

Maintenant, l'expérience du passage de la lumière à travers deux plaques de tourmaline placées successivement devient claire. La première plaque polarise le faisceau lumineux qui la traverse, le laissant osciller dans une seule direction. Ces vibrations ne peuvent traverser complètement la deuxième tourmaline que si leur direction coïncide avec la direction des vibrations transmises par la deuxième tourmaline, c'est-à-dire lorsque son axe est parallèle à l'axe du premier. Si la direction des vibrations en lumière polarisée est perpendiculaire à la direction des vibrations transmises par la deuxième tourmaline, alors la lumière sera complètement retardée. Si la direction des vibrations dans la lumière polarisée fait un angle aigu avec la direction transmise par la tourmaline, alors les vibrations ne seront que partiellement transmises.

Dispersion de la lumière

Newton s'est tourné vers l'étude des couleurs observées lors de la réfraction de la lumière dans le cadre de tentatives d'amélioration des télescopes. Dans le but d'obtenir des lentilles de la meilleure qualité possible, Newton est convaincu que le principal inconvénient des images est la présence de bords colorés. Newton a fait ses plus grandes découvertes optiques grâce à son étude de la coloration lors de la réfraction.

L'essence des découvertes de Newton est illustrée par les expériences suivantes (Fig. 1) : la lumière d'une lanterne éclaire un trou étroit S (fente). A l'aide d'une lentille L, l'image de la fente est obtenue sur l'écran MN sous la forme d'un petit rectangle blanc S'. En plaçant un prisme P sur le chemin dont le bord est parallèle à la fente, on constate que l'image de la fente va se déplacer et se transformer en une bande colorée, les transitions de couleurs dans lesquelles du rouge au violet sont similaires à celles observées dans un arc-en-ciel. Newton a appelé cette image arc-en-ciel un spectre.

Si vous couvrez l'espace avec du verre coloré, c'est-à-dire si vous dirigez la lumière colorée au lieu de la lumière blanche vers le prisme, l'image de la fente sera réduite à un rectangle coloré situé à l'endroit correspondant dans le spectre, c'est-à-dire en fonction de la couleur, la lumière s'écartera sous différents angles de l'image originale S'. Les observations décrites montrent que des rayons de différentes couleurs sont réfractés différemment par un prisme.

Newton a vérifié cette conclusion importante à travers de nombreuses expériences. Le plus important d'entre eux était de déterminer l'indice de réfraction de rayons de différentes couleurs isolés du spectre. A cet effet, un trou a été découpé dans l'écran MN sur lequel le spectre est obtenu ; En déplaçant l'écran, il était possible de libérer un faisceau étroit de rayons d'une couleur ou d'une autre à travers le trou. Cette méthode d’isolation des rayons uniformes est plus avancée que l’isolation à l’aide de verre coloré. Des expériences ont montré qu'un tel faisceau séparé, réfracté dans un deuxième prisme, n'étire plus la bande. Un tel faisceau correspond à un certain indice de réfraction dont la valeur dépend de la couleur du faisceau sélectionné.

Les expériences décrites montrent que pour un faisceau coloré étroit isolé du spectre, l'indice de réfraction a une valeur bien définie, alors que la réfraction de la lumière blanche ne peut être caractérisée qu'approximativement par une valeur de cet indice. En comparant des observations similaires, Newton a conclu qu'il existe des couleurs simples qui ne se décomposent pas lorsqu'elles traversent un prisme, et des couleurs complexes, qui représentent un ensemble de couleurs simples ayant des indices de réfraction différents. En particulier, la lumière du soleil est une combinaison de couleurs décomposée à l'aide d'un prisme, donnant une image spectrale de la fente.

Ainsi, les principales expériences de Newton contenaient deux découvertes importantes :

1) La lumière de différentes couleurs est caractérisée par différents indices de réfraction dans une substance donnée (dispersion).

2) La couleur blanche est une collection de couleurs simples.

Nous savons maintenant que différentes couleurs correspondent à différentes longueurs d’onde de lumière. La première découverte de Newton peut donc être formulée comme suit :

L'indice de réfraction d'une substance dépend de la longueur d'onde de la lumière.

Elle augmente généralement à mesure que la longueur d'onde diminue.

L'hypothèse de Planck

Dans le but de surmonter les difficultés de la théorie classique pour expliquer le rayonnement d'un solide chauffé, le physicien allemand Max Planck en 1900. a exprimé une hypothèse qui a marqué le début d’une véritable évolution de la physique théorique. Le sens de cette hypothèse est que la réserve d'énergie d'un système oscillatoire en équilibre avec le rayonnement électromagnétique ne peut prendre aucune valeur. L'énergie des systèmes élémentaires qui absorbent et rayonnent des ondes électromagnétiques doit nécessairement être égale à un multiple entier d'une certaine quantité d'énergie spécifique.

La quantité minimale d’énergie qu’un système peut absorber ou émettre est appelée quantum d’énergie. L'énergie du quantum E doit être proportionnelle à la fréquence d'oscillation v :

E= hv .

Facteur de proportionnalité h dans cette expression est appelée constante de Planck. La constante de Planck est

6,6261937 . 10 -34 J . Avec

La constante de Planck est parfois appelée quantum d'action. Notez que la dimension h coïncide avec la dimension du moment cinétique.

Sur la base de cette nouvelle idée, Planck a obtenu la loi de répartition de l'énergie dans le spectre, qui est en bon accord avec les données expérimentales. Le bon accord entre la loi théorique prédite et l'expérience a été une confirmation complète de l'hypothèse quantique de Planck.

Découverte de l'effet photoélectrique

L'hypothèse quanta de Planck a servi de base pour expliquer le phénomène de l'effet photoélectrique, découvert en 1887. Physicien allemand Heinrich Hertz.

Le phénomène d'effet photoélectrique est détecté en éclairant une plaque de zinc reliée à la tige d'un électromètre. Si une charge positive est transférée à la plaque et à la tige, l'électromètre ne se décharge pas lorsque la plaque est éclairée. En transmettant une charge électrique négative à la plaque, l'électromètre se décharge dès que le rayonnement ultraviolet frappe la plaque. Cette expérience prouve que des charges électriques négatives peuvent être libérées de la surface d'une plaque métallique sous l'influence de la lumière. La mesure de la charge et de la masse des particules éjectées par la lumière a montré que ces particules étaient des électrons.

Il existe plusieurs types de photoeffets : photoeffets externes et internes, photoeffets à valve et un certain nombre d'autres effets.

L'effet photoélectrique externe est le phénomène d'éjection d'électrons d'une substance sous l'influence de la lumière incidente sur celle-ci.

L'effet photoélectrique interne est l'apparition d'électrons libres et de trous dans un semi-conducteur suite à la rupture des liaisons entre atomes due à l'énergie de la lumière incidente sur le semi-conducteur.

L'effet photoélectrique de grille est l'apparition sous l'influence de la lumière d'une force électromotrice dans un système contenant un contact entre deux semi-conducteurs différents ou un semi-conducteur et un métal.

Lois de l'effet photoélectrique

Les lois quantitatives de l'effet photoélectrique ont été établies par l'éminent physicien russe Alexander Grigorievich Stoletov (1839 - 1896) en 1888 - 1889. À l'aide d'un ballon en verre sous vide doté de deux électrodes (Fig. 2), il a étudié la dépendance du courant dans le ballon sur la tension entre les électrodes et les conditions d'éclairage de l'électrode.

Dans un cylindre à vide se trouvent deux électrodes métalliques A et K auxquelles une tension est appliquée. La polarité des électrodes et la tension qui leur est appliquée peuvent être modifiées à l'aide du potentiomètre à prise centrale R. Lorsque le curseur du potentiomètre se trouve à gauche du point médian, le moins est appliqué à l'électrode A et le plus à l'électrode K. La tension appliquée entre les électrodes est mesurée avec un voltmètre V. L'électrode K est irradiée par la lumière à travers une fenêtre recouverte de verre de quartz. Sous son influence, des électrons (appelés photoélectrons) sont extraits de cette électrode, qui volent vers l'électrode A et forment un photocourant, enregistré par un milliampèremètre mA.

Dans l'installation décrite, en utilisant des électrodes constituées de métaux différents pour chaque illuminé

substances, il est possible d'obtenir les caractéristiques courant-tension de l'effet photoélectrique externe (c'est-à-dire la dépendance de l'intensité du photocourant I sur la tension U entre les électrodes) à différentes valeurs du flux d'énergie lumineuse incident.

Deux de ces caractéristiques sont présentées dans (Fig. 3).

Les modèles et lois suivants de l’effet photoélectrique externe ont été établis expérimentalement.

1. En l'absence de tension entre les électrodes, le photocourant est non nul. Cela signifie que les photoélectrons ont de l’énergie cinétique lorsqu’ils partent.

2. À mesure que U augmente, le photocourant I augmente progressivement, car un nombre croissant de photoélectrons atteignent l’anode.

3. Lorsqu'une certaine tension accélératrice U n est atteinte entre les électrodes, tous les électrons arrachés de la cathode atteignent l'anode et l'intensité du photocourant cesse de dépendre de la tension. Un tel photocourant, dont l'intensité n'augmente pas avec l'augmentation de la tension, est appelé photocourant de saturation. Si le nombre de photoélectrons émis par le métal éclairé par unité de temps est n e, alors l'intensité du photocourant de saturation

je n = D q / D t = Né / D t = n e

Par conséquent, en mesurant l’intensité du courant de saturation, il est possible de déterminer le nombre de photoélectrons émis en une seconde.

4. L'intensité du photocourant de saturation est directement proportionnelle au flux d'énergie lumineuse incident sur le métal (la première loi de l'effet photoélectrique) :

je n = g F

Ici g est le coefficient de proportionnalité, appelé photosensibilité de la substance. Par conséquent, le nombre d’électrons éjectés d’une substance en une seconde est directement proportionnel au flux d’énergie lumineuse incident sur cette substance.

5. En raison de l’énergie cinétique initiale, les électrons peuvent agir contre les forces du champ électrique retardateur. Par conséquent, le photocourant existe également dans la région des tensions négatives de 0 à U 3 (l'électrode A est connectée au « moins » de la source de courant). A partir d'une certaine tension de retard U 3, le photocourant s'arrête. Dans ce cas, le travail du champ électrique retardateur A e = eU 3 ​​​​​​est égal à l'énergie cinétique initiale maximale des photoélectrons W km. = mv m 2 /2 :

UNE e = W k.m. ; e U 3 = mv m 2 /2

V m = 2e U 3 / m

Ainsi, en mesurant la tension retardatrice U 3, il est possible de déterminer l'énergie cinétique initiale maximale et la vitesse initiale maximale des photoélectrons.

6. La valeur de la tension retardatrice, et donc l'énergie cinétique maximale et la vitesse maximale des photoélectrons, ne dépend pas de l'intensité de la lumière incidente, mais dépend de sa fréquence (la deuxième loi de l'effet photoélectrique).

7. Pour chaque substance, il existe une certaine valeur de fréquence v k (et donc la longueur d'onde l k), telle qu'aux fréquences v lumière incidente des plus petits v k (c'est-à-dire des longueurs d'onde lumineuses supérieures à l k), l'effet photoélectrique n'est pas observé (troisième loi de l'effet photoélectrique). Fréquence v k (et longueur d'onde l k) est appelée la limite rouge de l'effet photoélectrique. Par exemple, lorsqu'une plaque de zinc est irradiée avec de la lumière visible, même à très forte intensité, l'effet photoélectrique ne se produit pas, alors que lorsqu'elle est irradiée avec de la lumière ultraviolette, même à très faible intensité, un effet photoélectrique est observé.

8. Depuis le début de l'irradiation du métal par la lumière jusqu'au début de l'émission des photoélectrons, le temps t s'écoule<10 -9 с. Следовательно, фотоэффект безынерционен. Если частота падающего света v > v k, alors l'émission de photoélectrons se produit presque instantanément. Si v < v Par conséquent, quelle que soit la durée d’éclairage du métal, l’effet photoélectrique n’est pas observé.

Photons

En physique relativiste (la théorie de la relativité), il est montré que la masse m et l'énergie W sont interdépendantes :

W = MC 2

Par conséquent, quantum d’énergie Wф=h v le rayonnement électromagnétique correspond à la masse

m f = W f / c 2 = h v / c 2

Le rayonnement électromagnétique, et donc le photon, n'existe que lorsqu'il se propage à une vitesse Avec. Cela signifie que la masse au repos du photon est nulle.

Photon, ayant une masse m f et se déplaçant rapidement Avec, a de l'élan

p f = m f c = h v / c

Le photon possède également son propre moment cinétique, appelé rotation .

L f= h /2 p= h

Un objet qui a de l'énergie, de la masse, de l'élan ou du moment cinétique est très probablement associé à une particule. Par conséquent, le quantum d’énergie du rayonnement électromagnétique – un photon – est comme une particule de rayonnement électromagnétique, en particulier la lumière.

Du fait que le rayonnement électromagnétique est un ensemble de photons, il s'ensuit que le champ électromagnétique d'une particule est un ensemble de photons émis et absorbés par la particule elle-même.

Dans le cadre de la physique classique, l'émission d'un porteur d'interaction par une particule libre est interdite par les lois de conservation de l'énergie et de la quantité de mouvement. La physique quantique lève cet interdit en utilisant la relation entre les incertitudes de l'énergie et du temps. De plus, cela établit un lien entre la masse du support d'interaction et la portée d'action.

De tels processus qui se déroulent comme en violation de la loi de conservation de l'énergie sont généralement appelés processus virtuels, et les particules qui subissent une interaction et ne peuvent pas avoir d'énergie et d'impulsion associées de la même manière que dans les particules libres sont appelées particules virtuelles. Les particules d'échange virtuelles impliquées dans l'interaction ne peuvent pas être détectées. Mais en augmentant l'énergie de la particule émettrice, par exemple en accélérant les électrons, il est possible de transformer des photons virtuels en photons réels, libres et pouvant être enregistrés. C'est le processus d'émission de photons réels.

Cette représentation du champ électromagnétique conduit à une révision du concept d'interaction de particules chargées électriquement à travers un champ électromagnétique. S'il existe une autre particule chargée d'une particule, alors un photon émis par une particule peut être absorbé par une autre, et vice versa, entraînant un échange de photons, c'est-à-dire les particules commenceront à interagir. Ainsi, l’interaction électromagnétique des particules se produit grâce à l’échange de photons. Ce mécanisme d'interaction est appelé échange et s’applique à toutes les interactions. Tout champ est un ensemble de quanta - porteurs d'interactions émis par une particule en interaction, et toute interaction est un échange de porteurs d'interaction.

En conclusion, notons que le photon fait partie des particules du groupe des particules fondamentales.

L'impossibilité d'expliquer les lois de l'effet photoélectrique sur la base des concepts ondulatoires de la lumière.

Des tentatives ont été faites pour expliquer les lois de l'effet photoélectrique externe sur la base des concepts ondulatoires de la lumière. Selon ces idées, le mécanisme de l’effet photoélectrique ressemble à ceci. Une onde lumineuse tombe sur le métal. Les électrons situés dans sa couche superficielle absorbent l'énergie de cette onde et leur énergie augmente progressivement. Lorsqu'elle devient supérieure au travail de travail, les électrons commencent à s'envoler du métal. Ainsi, la théorie ondulatoire de la lumière serait capable d’expliquer qualitativement le phénomène de l’effet photoélectrique.

Cependant, les calculs ont montré qu'avec cette explication, le temps entre le début de l'illumination du métal et le début de l'émission des électrons devrait être de l'ordre d'une dizaine de secondes. En attendant, d'après l'expérience, il s'ensuit que t<10 -9 c. Следовательно, волновая теория света не объясняет безынерционности фотоэффекта. Не может она объяснить и остальные законы фотоэффекта.

Selon la théorie des ondes, l’énergie cinétique des photoélectrons devrait augmenter avec l’intensité de la lumière incidente sur le métal. Et l'intensité de l'onde est déterminée par l'amplitude des fluctuations de tension E, et non par la fréquence de la lumière. (Seul le nombre d'électrons assommés et l'intensité du courant de saturation dépendent de l'intensité de la lumière incidente.)

De la théorie des ondes, il s'ensuit que l'énergie nécessaire pour arracher les électrons d'un métal peut être fournie par un rayonnement de n'importe quelle longueur d'onde si son intensité est suffisamment élevée, c'est-à-dire que l'effet photoélectrique peut être provoqué par n'importe quel rayonnement lumineux. Cependant, il existe une limite rouge à l’effet photoélectrique, c’est-à-dire L'énergie reçue par les électrons ne dépend pas de l'amplitude de l'onde, mais de sa fréquence.

Ainsi, les tentatives visant à expliquer les lois de l’effet photoélectrique sur la base des concepts ondulatoires de la lumière se sont révélées intenables.

Explication des lois de l'effet photoélectrique basée sur les concepts quantiques de la lumière. L'équation d'Einstein pour l'effet photoélectrique.

Pour expliquer les lois de l'effet photoélectrique, A. Einstein a utilisé les concepts quantiques de la lumière, introduits par Planck pour décrire le rayonnement thermique des corps.

Einstein, analysant les fluctuations de l'énergie du rayonnement d'un corps absolument noir, est arrivé à la conclusion que le rayonnement se comporte comme s'il était constitué de N=W/(hv) quanta d'énergie indépendants de magnitude hv chacun. Selon Einstein, lors de la propagation de la lumière provenant d’un point quelconque, l’énergie n’est pas distribuée de manière continue sur un espace toujours croissant. L'énergie est constituée d'un nombre fini de quanta d'énergie localisés dans l'espace. Ces quanta se déplacent sans se diviser en parties ; ils ne peuvent être absorbés et émis que dans leur ensemble.

Ainsi, Einstein est arrivé à la conclusion que la lumière est non seulement émise, mais se propage également dans l'espace et est absorbée par la matière sous forme de quanta. Des portions de rayonnement lumineux - quanta de lumière - ayant des propriétés corpusculaires, c'est-à-dire propriétés des particules porteuses des propriétés du champ électromagnétique. Ces particules sont appelées photons.

Du point de vue des concepts quantiques de la lumière, l'énergie du rayonnement monochromatique incident sur un métal est constituée de photons d'énergie

W f = h v

W St. = NO f = Nh v

et le flux d'énergie lumineuse est égal à

Ф= W St. / t = Nh v / t = n f h v

où N est le nombre de photons incidents sur le métal pendant le temps t ; n f – le nombre de photons incidents sur le métal par unité de temps.

L'interaction du rayonnement avec la matière consiste en un grand nombre d'actes élémentaires, dans chacun desquels un électron absorbe complètement l'énergie d'un photon. Si l'énergie des photons est supérieure au travail de travail ou égale à celui-ci, alors les électrons s'envolent du métal. Dans ce cas, une partie de l'énergie du photon absorbé est dépensée pour effectuer la fonction de travail A dans, et le reste constitue l'énergie cinétique du photoélectron. C'est pourquoi

W f =A dans + W À ; h v =A dans + mv 2 /2.

Cette expression est appelée équation d'Einstein pour l'effet photoélectrique.

Il montre que l'énergie cinétique des photoélectrons dépend de la fréquence de la lumière incidente (la deuxième loi de l'effet photoélectrique).

Si l'énergie des quanta est inférieure au travail de travail, alors aucun électron n'est émis, quelle que soit l'intensité lumineuse. Ceci explique l'existence de la frontière rouge de l'effet photoélectrique (troisième loi de l'effet photoélectrique).

Montrons maintenant comment la première loi de l'effet photoélectrique s'explique à partir des concepts quantiques de la lumière.

Le nombre d'électrons libérés en raison de l'effet photoélectrique n e doit être proportionnel au nombre de quanta de lumière n f incident sur la surface ;

n e ~ n f ; n e = je sais f ,

où k est un coefficient indiquant quelle partie des photons incidents fait sortir les électrons du métal. (Notez que seule une petite partie des quanta transfère leur énergie aux photoélectrons. L'énergie des quanta restants est dépensée pour chauffer la substance qui absorbe la lumière). Le nombre de photons n f détermine le flux d'énergie de la lumière incidente.

Ainsi, la théorie quantique de la lumière explique complètement toutes les lois de l'effet photoélectrique externe. Ainsi, il est incontestablement confirmé expérimentalement que la lumière, en plus des propriétés ondulatoires, possède des propriétés corpusculaires.

Nature de la lumière par ondes corpusculaires

Les phénomènes d’interférence, de diffraction et de polarisation de la lumière provenant de sources lumineuses conventionnelles indiquent de manière irréfutable les propriétés ondulatoires de la lumière. Cependant, même dans ces phénomènes, dans des conditions appropriées, la lumière présente des propriétés corpusculaires. À leur tour, les lois du rayonnement thermique des corps, de l'effet photoélectrique et d'autres indiquent sans aucun doute que la lumière ne se comporte pas comme une onde continue et étendue, mais comme un flux de « amas » (parties, quanta) d'énergie, c'est-à-dire comme un flux de particules - des photons. Mais dans ces phénomènes, la lumière a également des propriétés ondulatoires ; elles ne sont tout simplement pas significatives pour ces phénomènes.

La question se pose : la lumière est-elle une onde électromagnétique continue émise par une source, ou un flux de photons discrets émis par une source ? La nécessité d'attribuer à la lumière, d'une part, des propriétés quantiques, corpusculaires, et, d'autre part, des propriétés ondulatoires, peut créer l'impression d'une imperfection de notre connaissance des propriétés de la lumière. La nécessité d’utiliser des concepts différents et apparemment mutuellement exclusifs pour expliquer des faits expérimentaux semble artificielle. J'aimerais penser que toute la variété des phénomènes optiques peut être expliquée sur la base de l'un des deux points de vue sur les propriétés de la lumière.

L’une des réalisations les plus significatives de la physique de notre siècle est la conviction progressive de l’erreur des tentatives visant à opposer les propriétés ondulatoires et quantiques de la lumière. Les propriétés de continuité caractéristiques du champ électromagnétique d'une onde lumineuse n'excluent pas les propriétés de discrétion caractéristiques des quanta-photons lumineux. La lumière possède simultanément les propriétés des ondes électromagnétiques continues et celles des photons discrets. Il représente l'unité dialectique de ces propriétés opposées. Le rayonnement électromagnétique (lumière) est un flux de photons dont la propagation et la distribution dans l'espace sont décrites par les équations des ondes électromagnétiques. Ainsi, la lumière a une nature ondulatoire corpusculaire.

La nature ondulatoire corpusculaire de la lumière se reflète dans la formule

p f = h v / c = h / je

reliant la caractéristique corpusculaire d'un photon - impulsion avec la caractéristique ondulatoire de la lumière - avec la fréquence (ou la longueur d'onde).

Cependant, la nature ondulatoire corpusculaire de la lumière ne signifie pas que la lumière soit à la fois une particule et une onde dans leur représentation classique habituelle.

La relation entre les propriétés corpusculaires et ondulatoires de la lumière trouve une interprétation simple en utilisant une approche statistique (probable) pour considérer la distribution et la propagation des photons dans l'espace.

1) Considérons la diffraction de la lumière, par exemple, par un trou rond.

Si un seul photon passe à travers le trou, il n’y aura pas de bandes claires et sombres alternées sur l’écran, comme on pourrait s’y attendre du point de vue des vagues ; le photon frappe un point ou un autre de l'écran et ne s'y propage pas, comme cela devrait être le cas selon les concepts d'ondes. Mais en même temps, il est impossible de considérer un photon comme une particule et de calculer exactement le point où il atteint, ce qui pourrait être fait si le photon était une particule classique.

Si N photons passent à travers un trou l’un après l’autre, différents photons peuvent atteindre différents points de l’écran. Mais dans les endroits où, selon les concepts ondulatoires, il devrait y avoir des bandes lumineuses, les photons tomberont plus souvent.

Si tous les N photons passent à travers le trou en même temps, alors à chaque point de l'espace et de l'écran, il y a autant de photons qu'il y en avait en les passant un à la fois. Mais dans ce cas, le nombre correspondant de photons frappe simultanément chaque point de l'écran et, si N est grand, le diagramme de diffraction attendu du point de vue des concepts ondulatoires sera observé sur l'écran.

Par exemple, pour les franges d'interférence sombres, l'amplitude au carré de l'oscillation et la densité de probabilité de frappe des photons sont minimes, et pour les franges claires, l'amplitude au carré et la densité de probabilité sont maximales.

Ainsi, si la lumière contient un très grand nombre de photons, alors, sous diffraction, elle peut être considérée comme une onde continue, bien qu'elle soit constituée de photons discrets et non flous.

2) Dans le phénomène de l'effet photoélectrique externe, il est important que chaque photon entre en collision avec un seul électron (comme une particule avec une particule) et soit absorbé par celui-ci, sans se diviser en parties, dans son ensemble, et non avec quel photon particulier frappe quel électron libre particulier (cela est déterminé par les propriétés des ondes) et l'assomme. Ainsi, avec l’effet photoélectrique, la lumière peut être considérée comme un flux de particules.

La nature ondulatoire corpusculaire du rayonnement électromagnétique a été établie spécifiquement pour la lumière, car la lumière solaire ordinaire, à laquelle nous sommes confrontés dans la vie quotidienne, d'une part, représente un flux d'un grand nombre de photons et présente clairement des propriétés ondulatoires, et d'autre part. , les photons de lumière ont une énergie suffisante pour réaliser des effets tels que la photoionisation, la photoluminescence, la photosynthèse, l'effet photoélectrique, dans lesquels les propriétés corpusculaires jouent un rôle décisif. Les photons, correspondant, par exemple, aux ondes radio, ont une faible énergie et les photons individuels n'ont pas d'effets notables, et les ondes radio enregistrées doivent contenir de nombreux photons et se comporter davantage comme des ondes. g- les rayons résultant de la désintégration radioactive des noyaux et des réactions nucléaires ont une énergie élevée, leur action est facilement enregistrée, mais le flux d'un grand nombre de photons est obtenu dans des conditions particulières dans les réacteurs nucléaires. Par conséquent, les rayons G se manifestent souvent sous forme de particules plutôt que d’ondes.

Ainsi, la lumière est corpusculaire dans le sens où son énergie, sa quantité de mouvement, sa masse et son spin sont localisés dans des photons et non diffusés dans l'espace, mais pas dans le sens où un photon peut être localisé à un emplacement donné précisément défini dans l'espace. La lumière se comporte comme une onde dans le sens où la propagation et la distribution des photons dans l'espace sont probabilistes : la probabilité qu'un photon se trouve en un point donné est déterminée par le carré de l'amplitude en ce point. Mais la nature probabiliste (ondulatoire) de la distribution des photons dans l'espace ne signifie pas que le photon est situé en un point quelconque à chaque instant.

Ainsi, la lumière allie la continuité des ondes et la discrétion des particules. Si l'on tient compte du fait que les photons n'existent que lorsqu'ils se déplacent (à la vitesse c), alors nous arrivons à la conclusion que la lumière possède simultanément des propriétés ondulatoires et corpusculaires. Mais dans certains phénomènes, sous certaines conditions, soit les propriétés ondulatoires, soit les propriétés corpusculaires jouent le rôle principal, et la lumière peut être considérée soit comme une onde, soit comme des particules (corpuscules).

Application pratique de l'interférence lumineuse

Application de l'holographie aux contrôles non destructifs des matériaux.

Lors de la lecture d'un tel hologramme, les deux ondes d'objets sont reproduites et interfèrent. Si la déformation de l'objet est faible (comparable à la longueur d'onde l), alors l'image de l'objet sera nette, mais recouverte de franges d'interférence dont la largeur et la forme permettent de décrire quantitativement la déformation de l'objet, puisque l'apparition des franges en chaque point de la surface est proportionnelle à la variation de la longueur du trajet optique.

L'interférométrie holographique est également utilisée pour détecter des défauts s'ils (fissures, vides, inhomogénéité des propriétés du matériau, etc.) conduisent à une déformation anormale de la surface d'un objet soumis à une charge. Les déformations sont détectées par des changements dans le motif d'interférence par rapport au motif qui apparaît sans échantillon défectueux.

Les tests non destructifs par interférence holographique utilisent diverses méthodes de chargement. Par exemple, sous sollicitation mécanique, des microfissures de plusieurs millimètres de long sont détectées et localisées, aussi bien à la surface du matériau qu'à son voisinage. De telles études sont notamment réalisées pour détecter les fissures dans le béton et suivre leur évolution.

L'interférométrie holographique est utilisée pour étudier la qualité des joints dans les structures creuses, puis le chargement sous pression et le chargement sous vide sont utilisés. La déformation dans les zones défectueuses et, par conséquent, les modèles d'interférences sont différents de la déformation des autres zones de la structure.

Le chargement thermique est souvent utilisé. Cette méthode est basée sur l'étude des déformations de surface qui se produisent lorsque la température de surface change. Dans la zone de défaut, le champ de température est déformé, ce qui entraîne une modification locale de la déformation et, par conséquent, une distorsion de la figure d'interférence. En raison de la haute sensibilité de l'interférométrie holographique, des déformations enregistrées apparaissent lorsque la température de l'objet ne change que de quelques degrés par rapport à la température ambiante.

Application de l'effet photoélectrique

Le dispositif le plus simple fonctionnant par effet photoélectrique est une photocellule à vide. Une photocellule à vide est constituée d'une ampoule en verre équipée de deux fils électriques. La surface intérieure du flacon est partiellement recouverte d'une fine couche de métal. Ce revêtement sert de cathode à la photocellule. L'anode est située au centre du cylindre. Les bornes de cathode et d'anode sont connectées à une source de tension constante. Lorsque la cathode est éclairée, des électrons sont libérés de sa surface. Ce processus est appelé effet photoélectrique externe. Les électrons se déplacent sous l'influence d'un champ électrique vers l'anode. Un courant électrique apparaît dans le circuit de la photocellule ; l'intensité du courant est proportionnelle à la puissance du rayonnement lumineux. Ainsi, la cellule photoélectrique convertit l’énergie du rayonnement lumineux en énergie du courant électrique.

Les photocellules à semi-conducteurs sont également utilisées pour convertir l’énergie du rayonnement lumineux en énergie du courant électrique.

L'élément semi-conducteur a la structure suivante. Une fine couche de semi-conducteur conducteur électronique est créée dans un cristal plat de silicium ou un autre semi-conducteur conducteur de trous. Une jonction p – n se produit à l’interface entre ces couches. Lorsqu'un cristal semi-conducteur est éclairé, en raison de l'absorption de la lumière, la distribution d'énergie des électrons et des trous change. Ce processus est appelé effet photoélectrique interne. En raison de l’effet photoélectrique interne, le nombre d’électrons libres et de trous dans le semi-conducteur augmente et ils sont séparés à la limite de jonction p-n.

Lorsque les couches opposées d'une cellule photoélectrique à semi-conducteur sont reliées par un conducteur, un courant électrique apparaît dans le circuit ; L'intensité du courant dans le circuit est proportionnelle à la puissance du flux lumineux incident sur la photocellule.

L'allumage de la photocellule en série avec l'enroulement du relais électromagnétique permet d'allumer ou d'éteindre automatiquement les actionneurs lorsque la lumière frappe la photocellule. Les photocellules sont utilisées au cinéma pour reproduire le son enregistré sur film comme bande sonore.

Les photocellules à semi-conducteurs sont largement utilisées sur les satellites artificiels de la Terre, les stations automatiques interplanétaires et les stations orbitales comme centrales électriques, à l'aide desquelles l'énergie du rayonnement solaire est convertie en énergie électrique. Le rendement des générateurs photovoltaïques à semi-conducteurs modernes dépasse 20 %.

Les photocellules à semi-conducteurs sont de plus en plus utilisées dans la vie quotidienne. Ils sont utilisés comme sources de courant non renouvelables dans les montres et les microcalculateurs.

Introduction 3

Interférence 4

Diffraction 5

Polarisation 6

Écart 8

Conjecture de Planck 9

Découverte de Photo Effect 10

Lois de l'effet photoélectrique 11

Photon 14

L'impossibilité d'expliquer l'effet photoélectrique sur la base des concepts ondulatoires de la lumière 15

Explication des lois de l'effet photoélectrique basée sur les concepts quantiques de la lumière. L'équation d'Einstein pour l'effet photoélectrique 16

Nature ondulatoire corpusculaire de la lumière 18

Application pratique de l'interférence lumineuse 21

Application de l'effet photoélectrique 23

Références 25

Académie d'État des transports par eau de Moscou

Département de physique et de chimie

Résumé sur le concept des sciences naturelles modernes (en physique)

sur le sujet :

« La dualité onde-particule, sa signification théorique et sa confirmation expérimentale »

Complété:

étudiant en 2ème année

Groupes MVT-4

Professeur:

Kobranov.M.E

Moscou 2001

Références :

Gribov L.A. Prokofieva N.I., « Fondements de la physique », éd. Sciences 1995

Zhibrov A.E., Mikhailov V.K., Galtsev V.V., « Éléments de mécanique quantique et de physique atomique », MISI im. V.V Kuibysheva, 1984

Shpolsky I.V., « Physique atomique », éd. Sciences, 1974

Gursky I.P., « Physique élémentaire », édité par Savelyev I.V., 1984.

"Manuel élémentaire de physique", Ed. Landsberg GS, 1986

Kabardin O.F., « Physique », éd. Éducation.

Savelyev I.V., « Cours de physique générale », éd. Sciences, 1988

Au cours des cent dernières années, la science a fait de grands progrès dans l’étude de la structure de notre monde aux niveaux microscopique et macroscopique. Les découvertes étonnantes que nous apportent les théories restreintes et générales de la relativité et de la mécanique quantique excitent toujours l'esprit du public. Cependant, toute personne instruite doit comprendre au moins les bases des réalisations scientifiques modernes. L’un des points les plus impressionnants et les plus importants est la dualité onde-particule. Il s’agit d’une découverte paradoxale dont la compréhension est hors de portée de la perception intuitive quotidienne.

Corpuscules et vagues

Le dualisme a été découvert pour la première fois dans l’étude de la lumière, qui se comportait complètement différemment selon les conditions. D’une part, il s’est avéré que la lumière est une onde électromagnétique optique. D’un autre côté, il existe une particule discrète (l’action chimique de la lumière). Au départ, les scientifiques pensaient que ces deux idées s’excluaient mutuellement. Or, de nombreuses expériences ont montré que ce n’est pas le cas. Peu à peu, la réalité d'un concept tel que la dualité onde-particule est devenue monnaie courante. Ce concept constitue la base de l'étude du comportement d'objets quantiques complexes qui ne sont ni des ondes ni des particules, mais qui acquièrent uniquement les propriétés des dernières ou des premières en fonction de certaines conditions.

Expérience à double fente

La diffraction des photons est une démonstration claire du dualisme. Le détecteur de particules chargées est une plaque photographique ou un écran fluorescent. Chaque photon individuel était marqué par un éclairage ou un flash ponctuel. La combinaison de ces marques a donné un motif d'interférence - une alternance de bandes faiblement et fortement éclairées, caractéristique de la diffraction des ondes. Ceci s'explique par un concept tel que la dualité onde-particule. Le célèbre physicien et lauréat du prix Nobel Richard Feynman a déclaré que la matière se comporte à petite échelle de telle manière qu'il est impossible de ressentir le « naturel » du comportement quantique.

Dualisme universel

Cependant, cette expérience n’est pas valable uniquement pour les photons. Il s’est avéré que le dualisme est une propriété de toute matière et qu’il est universel. Heisenberg a soutenu que la matière existe alternativement sous les deux formes. Aujourd’hui, il est absolument prouvé que les deux propriétés apparaissent de manière totalement simultanée.

Vague corpusculaire

Comment expliquer ce comportement de la matière ? L'onde inhérente aux corpuscules (particules) est appelée onde de Broglie, du nom du jeune scientifique aristocratique qui a proposé une solution à ce problème. Il est généralement admis que les équations de Broglie décrivent une fonction d'onde qui, au carré, détermine uniquement la probabilité qu'une particule se trouve à différents points de l'espace à différents moments. En termes simples, la vague de Broglie est une probabilité. Ainsi, l'égalité s'est établie entre le concept mathématique (probabilité) et le processus réel.

Champ quantique

Que sont les corpuscules de matière ? En gros, ce sont des quanta de champs d’ondes. Un photon est un quantum d'un champ électromagnétique, un positron et un électron sont un champ électron-positron, un méson est un quantum d'un champ mésonique, et ainsi de suite. L'interaction entre les champs d'ondes s'explique par l'échange de certaines particules intermédiaires entre elles, par exemple, lors d'une interaction électromagnétique il y a un échange de photons. De là découle directement une autre confirmation que les processus ondulatoires décrits par de Broglie sont des phénomènes physiques absolument réels. Et le dualisme onde-particule n’agit pas comme une « mystérieuse propriété cachée » qui caractérise la capacité des particules à se « réincarner ». Il démontre clairement deux actions interdépendantes : le mouvement d'un objet et le processus ondulatoire qui lui est associé.

Effet tunnel

La dualité onde-particule de la lumière est associée à de nombreux autres phénomènes intéressants. La direction d'action de l'onde de Broglie apparaît lors de ce que l'on appelle l'effet tunnel, c'est-à-dire lorsque les photons traversent la barrière énergétique. Ce phénomène est dû au fait que l'impulsion des particules dépasse la valeur moyenne au moment du ventre de l'onde. Le tunneling a permis de développer de nombreux appareils électroniques.

Interférence des quanta de lumière

La science moderne parle de l'interférence des photons de la même manière mystérieuse que de l'interférence des électrons. Il s'avère qu'un photon, qui est une particule indivisible, peut simultanément emprunter n'importe quel chemin ouvert sur lui-même et interférer avec lui-même. Si l'on tient compte du fait que la dualité onde-particule des propriétés de la matière et du photon est une onde qui recouvre de nombreux éléments structurels, alors sa divisibilité n'est pas exclue. Cela contredit les vues antérieures selon lesquelles la particule était une formation élémentaire indivisible. Possédant une certaine masse de mouvement, le photon forme une onde longitudinale associée à ce mouvement, qui précède la particule elle-même, puisque la vitesse de l'onde longitudinale est supérieure à celle de l'onde électromagnétique transversale. Il existe donc deux explications à l’interférence d’un photon avec lui-même : la particule est divisée en deux composants qui interfèrent l’un avec l’autre ; L’onde photonique se déplace le long de deux chemins et forme un motif d’interférence. Il a été découvert expérimentalement qu'un motif d'interférence est également créé lorsque des photons de particules chargées uniques traversent tour à tour l'interféromètre. Cela confirme la thèse selon laquelle chaque photon individuel interfère avec lui-même. Cela est particulièrement évident si l’on prend en compte le fait que la lumière (ni cohérente ni monochromatique) est un ensemble de photons émis par les atomes dans le cadre de processus interconnectés et aléatoires.

Qu'est-ce que la lumière ?

Une onde lumineuse est un champ électromagnétique non localisé distribué dans tout l’espace. Le champ électromagnétique d’une onde a une densité d’énergie volumétrique proportionnelle au carré de l’amplitude. Cela signifie que la densité énergétique peut varier de n’importe quelle ampleur, c’est-à-dire qu’elle est continue. D'une part, la lumière est un flux de quanta et de photons (corpuscules) qui, grâce à l'universalité d'un phénomène tel que la dualité onde-particule, représentent les propriétés d'une onde électromagnétique. Par exemple, dans les phénomènes d’interférence, de diffraction et d’écailles, la lumière présente clairement les caractéristiques d’une onde. Par exemple, un seul photon, comme décrit ci-dessus, passant à travers une double fente crée un motif d'interférence. Grâce à des expériences, il a été prouvé qu’un photon unique n’est pas une impulsion électromagnétique. Il ne peut pas être divisé en faisceaux avec des séparateurs de faisceaux, comme l'ont montré les physiciens français Aspe, Roger et Grangier.

La lumière possède également des propriétés corpusculaires, qui se manifestent par l’effet Compton et l’effet photoélectrique. Un photon peut se comporter comme une particule entièrement absorbée par des objets dont les dimensions sont bien inférieures à sa longueur d'onde (par exemple, un noyau atomique). Dans certains cas, les photons peuvent généralement être considérés comme des objets ponctuels. La position dans laquelle nous considérons les propriétés de la lumière ne fait aucune différence. Dans le domaine de la vision des couleurs, un flux de lumière peut agir à la fois comme une onde et comme un photon-particule comme quantum d'énergie. Un point focalisé sur un photorécepteur rétinien, tel que la membrane conique, peut permettre à l'œil de former sa propre valeur filtrée en tant que principaux rayons spectraux de lumière et de les trier en longueurs d'onde. Selon les valeurs de l'énergie quantique, dans le cerveau, le point objet sera traduit en une sensation de couleur (image optique focalisée).

Des exemples typiques d'objets présentant un comportement double onde-particule sont les électrons et la lumière ; le principe est également valable pour les objets plus gros, mais, en règle générale, plus l'objet est massif, moins ses propriétés ondulatoires se manifestent (nous ne parlons pas ici du comportement ondulatoire collectif de nombreuses particules, par exemple des ondes à la surface d'un liquide).

L'idée de la dualité onde-particule a été utilisée dans le développement de la mécanique quantique pour interpréter les phénomènes observés dans le micromonde en termes de concepts classiques. En réalité, les objets quantiques ne sont ni des ondes classiques ni des particules classiques, présentant les propriétés des premières ou des secondes uniquement en fonction des conditions des expériences qui sont menées sur eux. La dualité onde-particule est inexplicable dans le cadre de la physique classique et ne peut être interprétée qu’en mécanique quantique.

Un autre développement du concept de dualité onde-particule a été le concept de champs quantifiés dans la théorie quantique des champs.

Les vagues de De Broglie

Le principe de la dualité onde-particule reçoit une expression quantitative dans l'idée des ondes de De Broglie. Pour tout objet présentant à la fois des propriétés ondulatoires et corpusculaires, il existe un lien entre l’impulsion p (\displaystyle \mathbf (p) ) et de l'énergie E (style d'affichage E), inhérent à cet objet en tant que particule, et ses paramètres d'onde - le vecteur d'onde k (\ displaystyle \ mathbf (k) ), longueur d'onde λ ( displaystyle lambda), fréquence ν ( displaystyle nu ), fréquence cyclique ω ( displaystyle omega ). Cette connexion est donnée par les relations :

p | = h / λ , (\displaystyle \mathbf (p) =\hbar \mathbf (k) ;\ |\mathbf (p) |=h/\lambda ,) E = ℏ ω = h ν , (\displaystyle E=\hbar \omega =h\nu ,) Oùℏ (\displaystyle \hbar)

Et

h = 2 π ℏ (\displaystyle h=2\pi \hbar )

- constante de Planck réduite et ordinaire, respectivement. Ces formules sont vraies pour l’énergie et l’élan relativistes.

L'onde de Broglie est mise en correspondance avec tout objet mobile du micromonde ; Ainsi, sous la forme d'ondes de Broglie, les particules légères et massives sont soumises à des interférences et à la diffraction. Dans le même temps, plus la masse de la particule est grande, plus sa longueur d'onde de Broglie est courte à la même vitesse et plus il est difficile d'enregistrer ses propriétés ondulatoires. Grosso modo, lorsqu'il interagit avec son environnement, un objet se comporte comme une particule si la longueur de son onde de Broglie est bien inférieure aux dimensions caractéristiques présentes dans son environnement, et comme une onde si elle est beaucoup plus longue ; le cas intermédiaire ne peut être décrit que dans le cadre d’une théorie quantique à part entière.

La signification physique de l'onde de Broglie est la suivante : le carré de l'amplitude de l'onde en un certain point de l'espace est égal à la densité de probabilité de détecter une particule en un point donné si sa position est mesurée. Dans le même temps, jusqu'à ce que la mesure soit effectuée, la particule n'est pas réellement localisée à un endroit précis, mais est « répandue » dans tout l'espace sous la forme d'une onde de Broglie. Histoire du développement Les questions sur la nature de la lumière et de la matière ont une longue histoire, mais jusqu'à un certain temps, on croyait que les réponses devaient être sans ambiguïté : la lumière est soit un flux de particules, soit une onde ; la matière soit est constituée de particules individuelles obéissant à la mécanique classique, soit est un milieu continu.

La description ondulatoire apparemment établie de la lumière s'est avérée incomplète lorsque, en 1901, Planck a obtenu une formule pour le spectre de rayonnement d'un corps absolument noir, puis Einstein a expliqué l'effet photoélectrique, basé sur l'hypothèse que la lumière avec une certaine longueur d'onde est émis et absorbé exclusivement dans certaines portions. Une telle partie - un quantum de lumière, appelé plus tard photon - transfère une énergie proportionnelle à la fréquence de l'onde lumineuse avec un coefficient

Dualité onde-particule de lumière

Comme exemple classique de l’application du principe de dualité onde-particule, la lumière peut être interprétée comme un flux de corpuscules (photons) qui, dans de nombreux effets physiques, présentent les propriétés des ondes électromagnétiques classiques. La lumière présente des propriétés ondulatoires dans les phénomènes de diffraction et d’interférence à des échelles comparables à la longueur d’onde de la lumière. Par exemple, même célibataire les photons passant à travers la double fente produisent un motif d'interférence sur l'écran, déterminé par les équations de Maxwell.

Cependant, l'expérience montre qu'un photon n'est pas une courte impulsion de rayonnement électromagnétique ; par exemple, il ne peut pas être divisé en plusieurs faisceaux par des séparateurs de faisceaux optiques, comme l'a clairement montré une expérience menée par les physiciens français Grangier, Roger et Aspe en 1986. . Les propriétés corpusculaires de la lumière se manifestent dans les modèles de rayonnement thermique à l'équilibre, dans l'effet photoélectrique et dans l'effet Compton. Un photon se comporte également comme une particule émise ou absorbée entièrement par des objets dont les dimensions sont bien inférieures à sa longueur d'onde (par exemple, des noyaux atomiques), ou peut généralement être considérée comme ponctuelle (par exemple, un électron).

Plus la longueur d'onde du rayonnement électromagnétique est courte, plus l'énergie et l'impulsion des photons sont grandes et plus il est difficile de détecter les propriétés ondulatoires de ce rayonnement. Par exemple, le rayonnement X diffracte uniquement sur un réseau de diffraction très « fin » – le réseau cristallin d’un solide.

Comportement ondulatoire des gros objets

Le comportement ondulatoire se manifeste non seulement par les particules élémentaires et les nucléons, mais également par les objets plus gros - les molécules. En 1999, la diffraction des fullerènes a été observée pour la première fois. En 2013, la diffraction de molécules pesant plus de 10 000 uma a été réalisée. , composé de plus de 800 atomes chacun.

Cependant, il n’est pas tout à fait certain que les objets ayant une masse supérieure à la masse de Planck puissent en principe présenter un comportement ondulatoire.

Voir aussi

Remarques

1. Le mot « corpuscule » signifie « particule » et n'est pratiquement pas utilisé en dehors du contexte de la dualité onde-particule.
2. Gershtein S.S. Dualité onde-particule// Encyclopédie physique : [en 5 volumes] / Ch. éd. A.M. Prokhorov. - M. : Encyclopédie Soviétique, 1990. - T. 2 : Facteur de qualité - Magnéto-optique. - pages 464-465. - 704 p. - 100 000 exemplaires.