Dualizmi i vetive valore dhe korpuskulare të rrezatimit. Dualiteti valë-grimcë

Dualiteti valë-grimcë– vetia e çdo mikrogrimce për të zbuluar shenjat e një grimce (korpuskule) dhe një valë. Dualiteti valë-grimcë manifestohet më qartë në grimcat elementare. Një elektron, një neutron, një foton, në disa kushte, sillen si objekte materiale (grimca) të lokalizuara mirë në hapësirë, duke lëvizur me energji dhe impulse të caktuara përgjatë trajektoreve klasike, dhe në të tjera, si valë, që manifestohet në aftësinë e tyre për të interferimi dhe difraksioni. Kështu, një valë elektromagnetike, që shpërndahet në elektrone të lira, sillet si një rrymë grimcash individuale - fotone, të cilat janë kuante të fushës elektromagnetike (efekti Compton), dhe momenti i fotonit jepet me formulën p = h/λ, ku λ është gjatësia e valës elektromagnetike dhe h është konstanta e Plankut. Kjo formulë në vetvete është dëshmi e dualizmit. Në të, në të majtë është momenti i një grimce individuale (fotoni), dhe në të djathtë është gjatësia e valës së fotonit. Dualiteti i elektroneve, të cilat jemi mësuar t'i konsiderojmë si grimca, manifestohet në faktin se kur reflektohet nga sipërfaqja e një kristali të vetëm, vërehet një model difraksioni, i cili është një manifestim i vetive valore të elektroneve. Marrëdhënia sasiore midis karakteristikave korpuskulare dhe valore të një elektroni është e njëjtë si për një foton: р = h/λ (р është momenti i elektronit dhe λ është gjatësia e valës së tij de Broglie). Dualiteti valë-grimcë është baza e fizikës kuantike.

Vala (leshi) është një proces i lidhur gjithmonë me një mjedis material që zë një vëllim të caktuar në hapësirë.

64. De Broglie valëzon. Difraksioni i elektronit Vetitë valore të mikrogrimcave.

Zhvillimi i ideve në lidhje me vetitë valore korpuskulare të materies mori në hipotezën për natyrën valore të lëvizjes së mikrogrimcave. Louis de Broglie, nga ideja e simetrisë në natyrë për grimcat e materies dhe dritës, i atribuoi çdo mikrogrimce një proces të caktuar periodik të brendshëm (1924). Duke kombinuar formulat E = hν dhe E = mc 2, ai fitoi një lidhje që tregon se çdo grimcë ka të sajën gjatësia valore : λ B = h/mv = h/p, ku p është momenti i valës-grimcë. Për shembull, për një elektron me një energji prej 10 eV, gjatësia e valës de Broglie është 0.388 nm. Më pas, u tregua se gjendja e një mikrogrimce në mekanikën kuantike mund të përshkruhet nga një kompleks i caktuar funksioni i valës koordinatat Ψ(q), dhe moduli në katror i këtij funksioni |Ψ| 2 përcakton shpërndarjen e probabilitetit të vlerave të koordinatave. Ky funksion u prezantua për herë të parë në mekanikën kuantike nga Schrödinger në 1926. Kështu, vala de Broglie nuk mbart energji, por vetëm pasqyron "shpërndarjen fazore" të disa proceseve periodike probabiliste në hapësirë. Rrjedhimisht, përshkrimi i gjendjes së objekteve të mikrobotës është natyra probabiliste, në kontrast me objektet e makrobotës, të cilat përshkruhen nga ligjet e mekanikës klasike.

Për të vërtetuar idenë e de Broglie për natyrën valore të mikrogrimcave, fizikani gjerman Elsasser propozoi përdorimin e kristaleve për të vëzhguar difraksionin e elektronit (1925). Në SHBA, K. Davisson dhe L. Germer zbuluan fenomenin e difraksionit kur një rreze elektronike kalon nëpër një pllakë kristal nikeli (1927). Pavarësisht prej tyre, difraksioni i elektroneve që kalojnë nëpër fletë metalike u zbulua nga J.P. Thomson në Angli dhe P.S. Tartakovski në BRSS. Kështu, ideja e de Broglie për vetitë valore të materies gjeti konfirmim eksperimental. Më pas, vetitë e difraksionit, dhe për rrjedhojë, të valës u zbuluan në rrezet atomike dhe molekulare. Jo vetëm fotonet dhe elektronet, por edhe të gjitha mikrogrimcat kanë veti valore të grimcave.

Zbulimi i vetive valore të mikrogrimcave tregoi se forma të tilla të materies si fushë (e vazhdueshme) dhe materia (diskrete), të cilat nga pikëpamja e fizikës klasike konsideroheshin cilësisht të ndryshme, në kushte të caktuara mund të shfaqin veti të qenësishme në të dyja format. Kjo flet për unitetin e këtyre formave të materies. Një përshkrim i plotë i vetive të tyre është i mundur vetëm në bazë të ideve të kundërta, por plotësuese.

Prezantimi

Pothuajse njëkohësisht, dy teori të dritës u parashtruan: teoria korpuskulare e Njutonit dhe teoria e valës së Huygens.

Sipas teorisë korpuskulare, ose teorisë së rrjedhjes, të paraqitur nga Njutoni në fund të shekullit të 17-të, trupat ndriçues lëshojnë grimca të vogla (korpuskula) që fluturojnë drejt në të gjitha drejtimet dhe, kur hyjnë në sy, shkaktojnë një ndjesi drite. .

Sipas teorisë së valës, një trup i ndritshëm shkakton dridhje elastike në një medium të veçantë që mbush të gjithë hapësirën kozmike - eterin botëror - që përhapen në eter si valët e zërit në ajër.

Në kohën e Njutonit dhe Huygensit, shumica e shkencëtarëve i përmbaheshin teorisë korpuskulare të Njutonit, e cila shpjegonte në mënyrë mjaft të kënaqshme të gjitha fenomenet e dritës të njohura në atë kohë. Reflektimi i dritës shpjegohej në mënyrë të ngjashme me reflektimin e trupave elastikë gjatë goditjes me një aeroplan. Përthyerja e dritës shpjegohej me veprimin e forcave të mëdha tërheqëse mbi trupat nga një mjedis më i dendur. Nën ndikimin e këtyre forcave, të cilat manifestohen, sipas teorisë së Njutonit, kur iu afruan një mjedisi më të dendur, trupat e dritës morën nxitim të drejtuar pingul me kufirin e këtij mediumi, si rezultat i të cilit ata ndryshuan drejtimin e lëvizjes dhe në në të njëjtën kohë rriti shpejtësinë e tyre. Fenomene të tjera të dritës u shpjeguan në mënyrë të ngjashme.

Më pas, vëzhgimet e reja që u shfaqën nuk u përshtatën në kuadrin e kësaj teorie. Në veçanti, mospërputhja e kësaj teorie u zbulua kur u mat shpejtësia e përhapjes së dritës në ujë. Doli të ishte jo më shumë, por më pak se në ajër.

Në fillim të shekullit të 19-të, teoria e valës së Huygens, e pa njohur nga bashkëkohësit e tij, u zhvillua dhe u përmirësua nga Young dhe Fresnel dhe mori njohje universale. Në vitet 60 të shekullit të kaluar, pasi Maxwell zhvilloi teorinë e fushës elektromagnetike, doli se drita është valë elektromagnetike. Kështu, teoria e mekanikës valore të dritës u zëvendësua nga teoria elektromagnetike valore. Valët e dritës (spektri i dukshëm) zënë intervalin 0,4-0,7 μm në shkallën e valës elektromagnetike. Teoria valore e dritës e Maxwell, e cila e trajton rrezatimin si një proces të vazhdueshëm, nuk ishte në gjendje të shpjegonte disa nga fenomenet optike të sapo zbuluara. Ajo u plotësua nga teoria kuantike e dritës, sipas së cilës energjia e një valë drite emetohet, shpërndahet dhe absorbohet jo vazhdimisht, por në pjesë të caktuara - kuantet e dritës, ose fotonet - të cilat varen vetëm nga gjatësia e valës së dritës. Kështu, sipas koncepteve moderne, drita ka veti valore dhe korpuskulare.

Ndërhyrja e dritës

Valët që krijojnë lëkundje në çdo pikë të hapësirës me një ndryshim fazor që nuk ndryshon me kalimin e kohës quhen koherente. Dallimi i fazës në këtë rast ka një vlerë konstante, por, në përgjithësi, të ndryshme për pika të ndryshme në hapësirë. Është e qartë se vetëm valët me të njëjtën frekuencë mund të jenë koherente.

Kur disa valë koherente përhapen në hapësirë, lëkundjet e krijuara nga këto valë forcojnë njëra-tjetrën në disa pika dhe dobësojnë njëra-tjetrën në të tjera. Ky fenomen quhet interferencë valore. Valët e çdo natyre fizike mund të ndërhyjnë. Ne do të shikojmë ndërhyrjen e valëve të dritës.

Burimet e valëve koherente quhen gjithashtu koherente. Kur një sipërfaqe e caktuar ndriçohet nga disa burime koherente drite, në këtë sipërfaqe zakonisht shfaqen vija të alternuara të lehta dhe të errëta.

Dy burime të pavarura drite, për shembull dy llamba elektrike, nuk janë koherente. Valët e dritës që ato lëshojnë janë rezultat i shtimit të një numri të madh valësh të emetuara nga atome individuale. Emetimi i valëve nga atomet ndodh rastësisht, dhe për këtë arsye nuk ka marrëdhënie konstante midis fazave të valëve të emetuara nga dy burime.

Kur sipërfaqja ndriçohet nga burime jokoherente, modeli i shiritave të alternuar të dritës dhe të errët, karakteristikë e ndërhyrjes nuk shfaqet. Ndriçimi në çdo pikë rezulton të jetë i barabartë me shumën e ndriçimit të krijuar nga secili prej burimeve veç e veç.

Valët koherente prodhohen duke ndarë një rreze drite nga një burim në dy ose më shumë rreze të veçanta.

Ndërhyrja e dritës mund të vërehet kur ndriçohet një pllakë transparente me trashësi të ndryshueshme, veçanërisht një pllakë në formë pyke, me rreze monokromatike (me një ngjyrë). Syri i vëzhguesit do të marrë valë të reflektuara si nga sipërfaqja e përparme ashtu edhe nga mbrapa e pllakës. Rezultati i ndërhyrjes përcaktohet nga diferenca e fazës midis dy valëve, e cila gradualisht ndryshon me trashësinë e pllakës. Ndriçimi ndryshon në përputhje me rrethanat: nëse diferenca në rrugën e valëve ndërhyrëse në një pikë të caktuar në sipërfaqen e pllakës është e barabartë me një numër çift gjysëm valësh, atëherë në këtë pikë sipërfaqja do të duket e lehtë nëse diferenca e fazës; është një numër tek i gjysmë-valëve, do të duket e errët.

Kur një pllakë paralele e rrafshët ndriçohet nga një rreze paralele, diferenca fazore e valëve të dritës të reflektuara nga sipërfaqja e saj e përparme dhe e pasme është e njëjtë në të gjitha pikat - pllaka do të shfaqet njëtrajtësisht e ndriçuar.

Rreth pikës së kontaktit të një xhami pak konveks me një të sheshtë, kur ndriçohet me dritë monokromatike, vërehen unaza të errëta dhe të lehta - të ashtuquajturat unaza të Njutonit. Këtu, shtresa më e hollë e ajrit midis të dy gotave luan rolin e një filmi reflektues, që ka një trashësi konstante përgjatë rrathëve koncentrikë.

Difraksioni i dritës.

Një valë drite nuk e ndryshon formën gjeometrike të pjesës së përparme kur përhapet në një mjedis homogjen. Sidoqoftë, nëse drita përhapet në një mjedis johomogjen, në të cilin, për shembull, ka ekrane të errët, zona të hapësirës me një ndryshim relativisht të mprehtë në indeksin e thyerjes etj., atëherë vërehet një shtrembërim i frontit të valës. Në këtë rast, një rishpërndarje e intensitetit të valës së dritës ndodh në hapësirë. Kur ndriçoni, për shembull, ekrane të errët me një burim pikë drite në kufirin e hijes, ku, sipas ligjeve të optikës gjeometrike, duhet të ketë një kalim të papritur nga hija në dritë, një numër vijash të errëta dhe të lehta janë vërehet një pjesë e dritës depërton në rajonin e hijes gjeometrike. Këto dukuri lidhen me difraksionin e dritës.

Pra, difraksioni i dritës në kuptimin e ngushtë është fenomeni i përkuljes së dritës rreth konturit të trupave të errët dhe i dritës që hyn në rajonin e një hije gjeometrike; në një kuptim të gjerë, çdo devijim në përhapjen e dritës nga ligjet e optikës gjeometrike.

Përkufizimi i Sommerfeld: difraksioni i dritës kuptohet si çdo devijim nga përhapja drejtvizore nëse nuk mund të shpjegohet si rezultat i reflektimit, përthyerjes ose përkuljes së rrezeve të dritës në media me një indeks thyerjeje që ndryshon vazhdimisht.

Nëse mediumi përmban grimca të vogla (mjegull) ose indeksi i thyerjes ndryshon dukshëm në distanca të rendit të gjatësisë së valës, atëherë në këto raste flasim për shpërndarje të dritës dhe termi "difraksion" nuk përdoret.

Ekzistojnë dy lloje të difraksionit të dritës. Duke studiuar modelin e difraksionit në një pikë vëzhgimi të vendosur në një distancë të fundme nga një pengesë, kemi të bëjmë me difraksionin Fresnel. Nëse pika e vëzhgimit dhe burimi i dritës janë të vendosura aq larg nga pengesa sa rrezet që bien në pengesë dhe rrezet që shkojnë në pikën e vëzhgimit mund të konsiderohen rreze paralele, atëherë flasim për difraksion në rrezet paralele - difraksioni Fraunhofer.

Teoria e difraksionit merr në konsideratë proceset valore në rastet kur ka ndonjë pengesë në rrugën e përhapjes së valës.

Duke përdorur teorinë e difraksionit, probleme të tilla si mbrojtja nga zhurma duke përdorur ekranet akustike, përhapja e valëve të radios mbi sipërfaqen e tokës, funksionimi i instrumenteve optike (pasi imazhi i dhënë nga një lente është gjithmonë një model difraksioni), matjet e cilësisë së sipërfaqes, studimi i strukturës së materies dhe shumë të tjera janë zgjidhur.

Polarizimi i dritës

Dukuritë e ndërhyrjes dhe difraksionit, të cilat shërbyen për të vërtetuar natyrën valore të dritës, nuk japin ende një pamje të plotë të natyrës së valëve të dritës. Karakteristikat e reja na zbulohen nga përvoja e kalimit të dritës përmes kristaleve, veçanërisht përmes turmalinës.

Le të marrim dy pllaka identike drejtkëndëshe turmalinë, të prera në mënyrë që njëra nga anët e drejtkëndëshit të përputhet me një drejtim të caktuar brenda kristalit, i quajtur bosht optik. Le të vendosim një pjatë mbi tjetrën në mënyrë që boshtet e tyre të përkojnë në drejtim dhe të kalojmë një rreze të ngushtë drite nga një fener ose dielli përmes palës së palosur të pllakave. Meqenëse turmalina është një kristal kafe-jeshile, gjurma e rrezes së transmetuar do të shfaqet në ekran si një njollë jeshile e errët. Le të fillojmë të rrotullojmë njërën prej pllakave rreth rrezes, duke e lënë të dytën të palëvizur. Do të zbulojmë se gjurma e rrezes bëhet më e dobët dhe kur pllaka të rrotullohet 90 0, ajo do të zhduket plotësisht. Me rrotullimin e mëtejshëm të pllakës, rreze kalimi do të fillojë përsëri të intensifikohet dhe të arrijë intensitetin e saj të mëparshëm kur pllaka të rrotullohet 180 0, d.m.th. kur akset optike të pllakave janë sërish paralele. Me rrotullimin e mëtejshëm të turmalinës, rrezja dobësohet përsëri.

Të gjitha dukuritë e vëzhguara mund të shpjegohen nëse nxirren përfundimet e mëposhtme.

1) Dridhjet e dritës në rreze drejtohen pingul me vijën e përhapjes së dritës (valët e dritës janë tërthore).

2) Turmalina është në gjendje të transmetojë dridhje të dritës vetëm kur ato drejtohen në një mënyrë të caktuar në lidhje me boshtin e saj.

3) Në dritën e një feneri (dielli), vibrimet tërthore të çdo drejtimi paraqiten dhe, për më tepër, në të njëjtën proporcion, në mënyrë që asnjë drejtim të mos mbizotërojë.

Përfundimi 3 shpjegon pse drita natyrale kalon nëpër turmalinë në të njëjtën masë në çdo orientim, megjithëse turmalina, sipas përfundimit 2, është në gjendje të transmetojë vetëm dridhjet e dritës në një drejtim të caktuar. Kalimi i dritës natyrore përmes turmalinës bën që të zgjidhen vetëm ato dridhje tërthore që mund të transmetohen nga turmalina. Prandaj, drita që kalon nëpër turmalinë do të jetë një grup dridhjesh tërthore në një drejtim, të përcaktuar nga orientimi i boshtit të turmalinës. Dritën e tillë do ta quajmë të polarizuar në mënyrë lineare, dhe rrafshin që përmban drejtimin e lëkundjes dhe boshtin e rrezes së dritës - rrafshin e polarizimit.

Tani bëhet i qartë eksperimenti me kalimin e dritës përmes dy pllakave turmalinë të vendosura me radhë. Pllaka e parë polarizon rrezen e dritës që kalon përmes saj, duke e lënë atë të lëkundet vetëm në një drejtim. Këto dridhje mund të kalojnë plotësisht përmes turmalinës së dytë vetëm nëse drejtimi i tyre përkon me drejtimin e dridhjeve të transmetuara nga turmalina e dytë, d.m.th. kur boshti i tij është paralel me boshtin e të parit. Nëse drejtimi i dridhjeve në dritën e polarizuar është pingul me drejtimin e dridhjeve të transmetuara nga turmalina e dytë, atëherë drita do të vonohet plotësisht. Nëse drejtimi i dridhjeve në dritën e polarizuar bën një kënd akut me drejtimin e transmetuar nga turmalina, atëherë dridhjet do të transmetohen vetëm pjesërisht.

Shpërndarja e dritës

Njutoni iu drejtua studimit të ngjyrave të vëzhguara gjatë thyerjes së dritës në lidhje me përpjekjet për të përmirësuar teleskopët. Në përpjekje për të marrë lente me cilësi më të mirë të mundshme, Njutoni u bind se pengesa kryesore e imazheve ishte prania e skajeve me ngjyra. Njutoni bëri zbulimet e tij më të mëdha optike përmes studimit të ngjyrosjes gjatë thyerjes.

Thelbi i zbulimeve të Njutonit ilustrohet nga eksperimentet e mëposhtme (Fig. 1) drita nga një fener ndriçon një vrimë të ngushtë S (të çarë). Duke përdorur një lente L, imazhi i çarjes merret në ekranin MN në formën e një drejtkëndëshi të shkurtër të bardhë S`. Duke vendosur një prizëm P në shtegun, skaji i së cilës është paralel me të çarën, zbulojmë se imazhi i të çarës do të zhvendoset dhe do të kthehet në një shirit me ngjyrë, kalimet e ngjyrave në të cilat nga e kuqja në vjollcë janë të ngjashme me ato të vërejtura. në një ylber. Njutoni e quajti këtë imazh të ylberit një spektër.

Nëse e mbuloni boshllëkun me xham me ngjyrë, d.m.th. nëse drejtoni dritën me ngjyrë në vend të dritës së bardhë në prizëm, imazhi i çarjes do të reduktohet në një drejtkëndësh me ngjyrë të vendosur në vendin përkatës në spektër, d.m.th. në varësi të ngjyrës, drita do të devijojë në kënde të ndryshme nga imazhi origjinal S`. Vëzhgimet e përshkruara tregojnë se rrezet me ngjyra të ndryshme thyhen ndryshe nga një prizëm.

Njutoni e verifikoi këtë përfundim të rëndësishëm përmes shumë eksperimenteve. Më e rëndësishmja prej tyre ishte përcaktimi i indeksit të thyerjes së rrezeve me ngjyra të ndryshme të izoluara nga spektri. Për këtë qëllim, në ekranin MN është prerë një vrimë në të cilën është marrë spektri; Duke lëvizur ekranin, ishte e mundur të lëshohej një rreze e ngushtë rrezesh të një ngjyre ose një tjetër përmes vrimës. Kjo metodë e izolimit të rrezeve uniforme është më e avancuar sesa izolimi duke përdorur xhami me ngjyrë. Eksperimentet kanë zbuluar se një rreze e tillë e ndarë, e thyer në një prizëm të dytë, nuk e shtrin më shiritin. Një rreze e tillë korrespondon me një indeks të caktuar thyes, vlera e të cilit varet nga ngjyra e rrezes së zgjedhur.

Eksperimentet e përshkruara tregojnë se për një rreze me ngjyrë të ngushtë të izoluar nga spektri, indeksi i thyerjes ka një vlerë shumë të caktuar, ndërsa përthyerja e dritës së bardhë mund të karakterizohet përafërsisht vetëm nga një vlerë e këtij indeksi. Duke krahasuar vëzhgime të ngjashme, Njutoni arriti në përfundimin se ka ngjyra të thjeshta që nuk dekompozohen kur kalojnë nëpër një prizëm, dhe ngjyra komplekse, të cilat përfaqësojnë një grup të thjeshta që kanë indekse të ndryshme refraktive. Në veçanti, rrezet e diellit janë një kombinim ngjyrash që zbërthehet me ndihmën e një prizmi, duke dhënë një imazh spektral të çarjes.

Kështu, eksperimentet kryesore të Njutonit përmbanin dy zbulime të rëndësishme:

1) Drita me ngjyra të ndryshme karakterizohet nga indekse të ndryshme refraktive në një substancë të caktuar (dispersion).

2) Ngjyra e bardhë është një koleksion ngjyrash të thjeshta.

Tani e dimë se ngjyra të ndryshme korrespondojnë me gjatësi vale të ndryshme të dritës. Prandaj, zbulimi i parë i Njutonit mund të formulohet si më poshtë:

Indeksi i thyerjes së një substance varet nga gjatësia e valës së dritës.

Zakonisht rritet me zvogëlimin e gjatësisë së valës.

hipoteza e Planck-ut

Në një përpjekje për të kapërcyer vështirësitë e teorisë klasike në shpjegimin e rrezatimit të një trupi të ngurtë të ndezur, fizikani gjerman Max Planck në 1900. shprehu një hipotezë që shënoi fillimin e një evolucioni të vërtetë në fizikën teorike. Kuptimi i kësaj hipoteze është se rezerva e energjisë e një sistemi oscilues në ekuilibër me rrezatimin elektromagnetik nuk mund të marrë asnjë vlerë. Energjia e sistemeve elementare që thithin dhe rrezatojnë valë elektromagnetike duhet domosdoshmërisht të jetë e barabartë me një shumëfish të plotë të një sasie të caktuar energjie.

Sasia minimale e energjisë që një sistem mund të thithë ose lëshojë quhet kuantike energjie. Energjia e kuantit E duhet të jetë proporcionale me frekuencën e lëkundjes v:

E= hv .

Faktori i proporcionalitetit h në këtë shprehje quhet konstanta e Plankut. Konstanta e Plankut është

6,6261937 . 10 -34 J . Me

Konstanta e Planck-ut nganjëherë quhet kuantike e veprimit. Vini re se dimensioni h përkon me dimensionin e momentit këndor.

Bazuar në këtë ide të re, Planck mori ligjin e shpërndarjes së energjisë në spektër, i cili është në përputhje të mirë me të dhënat eksperimentale. Përputhja e mirë e ligjit të parashikuar teorikisht me eksperimentin ishte një konfirmim i plotë i hipotezës kuantike të Planck-ut.

Zbulimi i efektit fotoelektrik

Hipoteza kuantike e Planck shërbeu si bazë për shpjegimin e fenomenit të efektit fotoelektrik, të zbuluar në 1887. Fizikani gjerman Heinrich Hertz.

Fenomeni i efektit fotoelektrik zbulohet duke ndriçuar një pllakë zinku të lidhur me shufrën e një elektrometri. Nëse një ngarkesë pozitive transferohet në pllakë dhe shufër, atëherë elektrometri nuk shkarkohet kur pllaka ndizet. Duke i dhënë një ngarkesë elektrike negative pllakës, elektrometri shkarkohet sapo rrezatimi ultravjollcë godet pllakën. Ky eksperiment vërteton se ngarkesat elektrike negative mund të lirohen nga sipërfaqja e një pllake metalike nën ndikimin e dritës. Matja e ngarkesës dhe masës së grimcave të nxjerra nga drita tregoi se këto grimca ishin elektrone.

Ekzistojnë disa lloje të fotoefekteve: fotoefektet e jashtme dhe të brendshme, fotoefektet e valvulave dhe një sërë efektesh të tjera.

Efekti i jashtëm fotoelektrik është fenomeni i nxjerrjes së elektroneve nga një substancë nën ndikimin e dritës që bie mbi të.

Efekti i brendshëm fotoelektrik është shfaqja e elektroneve të lira dhe vrimave në një gjysmëpërçues si rezultat i prishjes së lidhjeve midis atomeve për shkak të energjisë së dritës që bie në gjysmëpërçues.

Efekti fotoelektrik i portës është shfaqja nën ndikimin e dritës së një force elektromotore në një sistem që përmban kontakt midis dy gjysmëpërçuesve të ndryshëm ose një gjysmëpërçuesi dhe një metali.

Ligjet e efektit fotoelektrik

Ligjet sasiore të efektit fotoelektrik u vendosën nga fizikani i shquar rus Alexander Grigorievich Stoletov (1839 - 1896) në 1888 - 1889. Duke përdorur një tullumbace qelqi vakum me dy elektroda (Fig. 2), ai studioi varësinë e rrymës në tullumbace nga tensioni midis elektrodave dhe kushtet e ndriçimit të elektrodës.

Në një cilindër vakum ka dy elektroda metalike A dhe K, në të cilat aplikohet tension. Polariteti i elektrodave dhe voltazhi i aplikuar në to mund të ndryshohen duke përdorur potenciometrin R me përgjim qendror. Kur rrëshqitësi i potenciometrit është në të majtë të pikës së mesit, minus zbatohet në elektrodën A dhe plus aplikohet në elektrodën K. Tensioni i aplikuar ndërmjet elektrodave matet me një voltmetër V. Elektroda K rrezatohet me dritë përmes një dritareje të mbuluar me xham kuarci. Nën ndikimin e saj, nga kjo elektrodë tërhiqen elektronet (të quajtura fotoelektrone), të cilat fluturojnë në elektrodën A dhe formojnë një fotorrymë, të regjistruar nga një miliammetër mA.

Në instalimin e përshkruar, duke përdorur elektroda të bëra nga metale të ndryshme për secilën ndriçim

substancave, është e mundur të merren karakteristikat e tensionit aktual të efektit fotoelektrik të jashtëm (d.m.th., varësia e forcës së fotorrymës I nga tensioni U midis elektrodave) në vlera të ndryshme të fluksit të energjisë së dritës së rënë.

Dy karakteristika të tilla janë paraqitur në (Fig. 3).

Modelet dhe ligjet e mëposhtme të efektit fotoelektrik të jashtëm janë krijuar në mënyrë eksperimentale.

1. Në mungesë të tensionit ndërmjet elektrodave, fotorryma është jo zero. Kjo do të thotë që fotoelektronet kanë energji kinetike kur largohen.

2. Me rritjen e U-së, gradualisht rritet fotorryma I, sepse një numër në rritje i fotoelektroneve arrijnë në anodë.

3. Kur arrihet një tension i caktuar përshpejtues U n ndërmjet elektrodave, të gjitha elektronet e rrëzuara nga katoda arrijnë në anodë dhe forca e fotorrymës pushon të varet nga voltazhi. Një fotorrymë e tillë, forca e së cilës nuk rritet me rritjen e tensionit, quhet fotorrymë e ngopjes. Nëse numri i fotoelektroneve të emetuara nga metali i ndriçuar për njësi të kohës është n e, atëherë forca e fotorrymës së ngopjes

I n = D q / D t = Ne / D t = n e

Prandaj, duke matur fuqinë e rrymës së ngopjes, është e mundur të përcaktohet numri i fotoelektroneve të emetuara në një sekondë.

4. Fuqia e fotorrymës së ngopjes është drejtpërdrejt proporcionale me fluksin e energjisë së dritës që bie në metal (ligji i parë i efektit fotoelektrik):

I n = g F

Këtu g është koeficienti i proporcionalitetit, i quajtur fotosensitiviteti i substancës. Rrjedhimisht, numri i elektroneve të nxjerra nga një substancë në një sekondë është drejtpërdrejt proporcional me rrjedhën e energjisë së dritës që bie në këtë substancë.

5. Për shkak të energjisë kinetike fillestare, elektronet mund të punojnë kundër forcave të fushës elektrike ngadalësuese. Prandaj, fotorryma ekziston gjithashtu në rajonin e tensioneve negative nga 0 në U 3 (elektroda A është e lidhur me "minus" të burimit aktual). Duke u nisur nga një tension i caktuar vonese U 3, fotorryma ndalon. Në këtë rast, puna e fushës elektrike ngadalësuese A e = eU 3 është e barabartë me energjinë kinetike fillestare maksimale të fotoelektroneve W km. =mv m 2/2:

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

V m = 2e U 3 / m

Kështu, duke matur tensionin e vonesës U 3, është e mundur të përcaktohet energjia kinetike fillestare maksimale dhe shpejtësia maksimale fillestare e fotoelektroneve.

6. Vlera e tensionit ngadalësues, dhe për rrjedhojë energjia kinetike maksimale dhe shpejtësia maksimale e fotoelektroneve nuk varet nga intensiteti i dritës rënëse, por varet nga frekuenca e saj (ligji i dytë i efektit fotoelektrik).

7. Për çdo substancë ekziston një vlerë e caktuar e frekuencës v k (dhe, rrjedhimisht, gjatësia valore l k), e tillë që në frekuenca v drita e rënies së atyre më të voglave v k (d.m.th., gjatësi vale të dritës më të mëdha se l k), efekti fotoelektrik nuk respektohet (ligji i tretë i efektit fotoelektrik). Frekuenca v k (dhe gjatësia e valës l k) quhet kufiri i kuq i efektit fotoelektrik. Për shembull, kur një pllakë zinku rrezatohet me dritë të dukshme, edhe me intensitet shumë të lartë, efekti fotoelektrik nuk ndodh, ndërsa kur rrezatohet me dritë ultravjollcë, edhe me intensitet shumë të ulët, vërehet një efekt fotoelektrik.

8. Nga fillimi i rrezatimit të metalit me dritë deri në fillimin e emetimit të fotoelektroneve kalon koha t.<10 -9 с. Следовательно, фотоэффект безынерционен. Если частота падающего света v > v k, atëherë emetimi i fotoelektroneve ndodh pothuajse menjëherë. Nëse v < v Prandaj, pa marrë parasysh sa kohë ndriçohet metali, efekti fotoelektrik nuk vërehet.

Fotonet

Në fizikën relativiste (teoria e relativitetit) tregohet se masa m dhe energjia W janë të ndërlidhura:

W = mc 2

Prandaj, kuanti i energjisë Wf=h v rrezatimi elektromagnetik i përgjigjet masës

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

Rrezatimi elektromagnetik, dhe për këtë arsye fotoni, ekziston vetëm kur përhapet me një shpejtësi Me. Kjo do të thotë se masa e mbetur e fotonit është zero.

Foton, me masë m f dhe që lëviz me shpejtësi Me, ka vrull

fq f = m f c = h v / c

Fotoni gjithashtu ka momentin e tij këndor, i quajtur rrotullim .

L f= h /2 p= h

Një objekt që ka energji, masë, vrull ose moment këndor ka shumë të ngjarë të lidhet me një grimcë. Prandaj, kuanti i energjisë i rrezatimit elektromagnetik - një foton - është si një grimcë e rrezatimit elektromagnetik, në veçanti drita.

Nga fakti që rrezatimi elektromagnetik është një koleksion fotonesh, rrjedh se fusha elektromagnetike e një grimce është një koleksion fotonesh të emetuara dhe të zhytura nga vetë grimca.

Në kuadrin e fizikës klasike, emetimi i një mbartësi ndërveprimi nga një grimcë e lirë është i ndaluar nga ligjet e ruajtjes së energjisë dhe momentit. Fizika kuantike e heq këtë ndalim duke përdorur marrëdhënien midis pasigurive të energjisë dhe kohës. Për më tepër, kjo vendos një lidhje midis masës së bartësit të ndërveprimit dhe gamës së veprimit.

Proceset e tilla që zhvillohen sikur në kundërshtim me ligjin e ruajtjes së energjisë quhen zakonisht procese virtuale, dhe grimcat që pësojnë ndërveprim dhe nuk mund të kenë energji dhe moment të lidhur në të njëjtën mënyrë si në grimcat e lira quhen grimca virtuale. Grimcat e shkëmbimit virtual të përfshirë në ndërveprim nuk mund të zbulohen. Por duke rritur energjinë e grimcës që lëshon, për shembull, duke përshpejtuar elektronet, fotonet virtuale mund të shndërrohen në reale, të lira që mund të regjistrohen. Ky është procesi i emetimit të fotoneve reale.

Ky përfaqësim i fushës elektromagnetike çon në një rishikim të konceptit të bashkëveprimit të grimcave të ngarkuara elektrike përmes një fushe elektromagnetike. Nëse ka një grimcë tjetër të ngarkuar nga një grimcë, atëherë një foton i emetuar nga një grimcë mund të absorbohet nga një tjetër, dhe anasjelltas, duke rezultuar në një shkëmbim fotonesh, d.m.th. grimcat do të fillojnë të ndërveprojnë. Kështu, bashkëveprimi elektromagnetik i grimcave ndodh përmes shkëmbimit të fotoneve. Ky mekanizëm ndërveprimi quhet shkëmbim dhe vlen për të gjitha ndërveprimet. Çdo fushë është një grup kuantesh - bartës të ndërveprimeve të emetuara nga një grimcë ndërvepruese, dhe çdo ndërveprim është një shkëmbim i bartësve të ndërveprimit.

Si përfundim, vërejmë se fotoni është një nga grimcat nga grupi i grimcave themelore.

Pamundësia e shpjegimit të ligjeve të efektit fotoelektrik në bazë të koncepteve valore të dritës.

Janë bërë përpjekje për të shpjeguar ligjet e efektit të jashtëm fotoelektrik në bazë të koncepteve valore të dritës. Sipas këtyre ideve, mekanizmi i efektit fotoelektrik duket kështu. Një valë e lehtë bie mbi metal. Elektronet e vendosura në shtresën sipërfaqësore të saj thithin energjinë e kësaj vale dhe energjia e tyre gradualisht rritet. Kur bëhet më i madh se funksioni i punës, elektronet fillojnë të fluturojnë jashtë metalit. Kështu, teoria valore e dritës supozohet se është e aftë të shpjegojë në mënyrë cilësore fenomenin e efektit fotoelektrik.

Megjithatë, llogaritjet treguan se me këtë shpjegim, koha midis fillimit të ndriçimit të metalit dhe fillimit të emetimit të elektroneve duhet të jetë në rendin e dhjetë sekondave. Ndërkohë, nga përvoja rezulton se t<10 -9 c. Следовательно, волновая теория света не объясняет безынерционности фотоэффекта. Не может она объяснить и остальные законы фотоэффекта.

Sipas teorisë së valës, energjia kinetike e fotoelektroneve duhet të rritet me rritjen e intensitetit të goditjes së dritës në metal. Dhe intensiteti i valës përcaktohet nga amplituda e luhatjeve të tensionit E, dhe jo nga frekuenca e dritës. (Vetëm numri i elektroneve të rrëzuara dhe forca e rrymës së ngopjes varen nga intensiteti i dritës rënëse.)

Nga teoria e valës rrjedh se energjia e nevojshme për të hequr elektronet nga një metal mund të sigurohet nga rrezatimi i çdo gjatësi vale nëse intensiteti i tij është mjaft i lartë, d.m.th. se efekti fotoelektrik mund të shkaktohet nga ndonjë rrezatim drite. Megjithatë, ekziston një kufi i kuq i efektit fotoelektrik, d.m.th. Energjia e marrë nga elektronet nuk varet nga amplituda e valës, por nga frekuenca e saj.

Kështu, përpjekjet për të shpjeguar ligjet e efektit fotoelektrik në bazë të koncepteve të valës së dritës rezultuan të paqëndrueshme.

Shpjegimi i ligjeve të efektit fotoelektrik bazuar në konceptet kuantike të dritës. Ekuacioni i Ajnshtajnit për efektin fotoelektrik.

Për të shpjeguar ligjet e efektit fotoelektrik, A. Ajnshtajni përdori konceptet kuantike të dritës, të prezantuara nga Planck për të përshkruar rrezatimin termik të trupave.

Ajnshtajni, duke analizuar luhatjet e energjisë së rrezatimit nga një trup absolutisht i zi, arriti në përfundimin se rrezatimi sillet sikur të përbëhej nga N=W/(hv) kuanta të pavarura të energjisë me madhësi hv secila. Sipas Ajnshtajnit, gjatë përhapjes së dritës që del nga çdo pikë, energjia nuk shpërndahet vazhdimisht në një hapësirë gjithnjë në rritje. Energjia përbëhet nga një numër i kufizuar kuantesh energjetike të lokalizuara në hapësirë. Këto kuante lëvizin pa u ndarë në pjesë; ato mund të absorbohen dhe të emetohen vetëm si një e tërë.

Kështu, Ajnshtajni arriti në përfundimin se drita jo vetëm që emetohet, por edhe përhapet në hapësirë dhe përthithet nga materia në formën e kuanteve. Pjesë të rrezatimit të dritës - kuantë të dritës - që kanë veti korpuskulare, d.m.th. vetitë e grimcave që janë bartëse të vetive të fushës elektromagnetike. Këto grimca quhen fotone.

Nga pikëpamja e koncepteve kuantike të dritës, energjia e rrezatimit monokromatik që bie në një metal përbëhet nga fotone me energji

W f = h v

W St. = VP f = Nh v

dhe fluksi i energjisë së dritës është i barabartë me

Ф= W St. / t = Nh v / t = n f h v

ku N është numri i fotoneve që bien në metal gjatë kohës t; n f – numri i fotoneve që bien në metal për njësi të kohës.

Ndërveprimi i rrezatimit me lëndën përbëhet nga një numër i madh aktesh elementare, në secilën prej të cilave një elektron thith plotësisht energjinë e një fotoni. Nëse energjia e fotonit është më e madhe ose e barabartë me funksionin e punës, atëherë elektronet fluturojnë jashtë metalit. Në këtë rast, një pjesë e energjisë së fotonit të absorbuar shpenzohet për kryerjen e funksionit të punës A në, dhe pjesa tjetër përbën energjinë kinetike të fotoelektronit. Kjo është arsyeja pse

W f =A në + W te ; h v =A në + mv 2 /2.

Kjo shprehje quhet ekuacioni i Ajnshtajnit për efektin fotoelektrik.

Ai tregon se energjia kinetike e fotoelektroneve varet nga frekuenca e dritës rënëse (ligji i dytë i efektit fotoelektrik).

Nëse energjia e kuanteve është më e vogël se funksioni i punës, atëherë nuk lëshohen elektrone me asnjë intensitet drite. Kjo shpjegon ekzistencën e kufirit të kuq të efektit fotoelektrik (ligji i tretë i efektit fotoelektrik).

Le të tregojmë tani se si shpjegohet ligji i parë i efektit fotoelektrik në bazë të koncepteve kuantike të dritës.

Numri i elektroneve të lëshuara për shkak të efektit fotoelektrik n e duhet të jetë proporcional me numrin e kuanteve të dritës n f që bien në sipërfaqe;

n e ~ n f ; n e = kn f ,

ku k është një koeficient që tregon se cila pjesë e fotoneve të incidentit rrëzon elektronet nga metali. (Vini re se vetëm një pjesë e vogël e kuanteve e transferon energjinë e tyre në fotoelektrone. Energjia e kuanteve të mbetura shpenzohet për ngrohjen e substancës që thith dritën). Numri i fotoneve n f përcakton fluksin e energjisë së dritës rënëse.

Kështu, teoria kuantike e dritës shpjegon plotësisht të gjitha ligjet e efektit të jashtëm fotoelektrik. Pra, vërtetohet padiskutim eksperimentalisht se drita, përveç vetive valore, ka edhe veti korpuskulare.

Natyra korpuskulare-valore e dritës

Fenomenet e ndërhyrjes, difraksionit dhe polarizimit të dritës nga burimet konvencionale të dritës tregojnë në mënyrë të pakundërshtueshme vetitë valore të dritës. Megjithatë, edhe në këto dukuri, në kushte të përshtatshme, drita shfaq veti korpuskulare. Nga ana tjetër, ligjet e rrezatimit termik të trupave, efekti fotoelektrik dhe të tjerat tregojnë padiskutim se drita nuk sillet si një valë e vazhdueshme, e zgjatur, por si një rrjedhë "grumbullash" (pjesë, kuante) energjie, d.m.th. si një rrjedhë grimcash - fotone. Por në këto dukuri, drita ka edhe veti valore ato thjesht nuk janë domethënëse për këto dukuri.

Shtrohet pyetja: a është drita një valë elektromagnetike e vazhdueshme e emetuar nga një burim, apo një rrymë fotonesh diskrete të emetuara nga një burim? Nevoja për t'i atribuar dritës, nga njëra anë, vetitë kuantike, korpuskulare dhe nga ana tjetër, vetitë valore, mund të krijojë përshtypjen e papërsosmërisë së njohurive tona për vetitë e dritës. Nevoja për të përdorur koncepte të ndryshme dhe në dukje ekskluzive reciproke gjatë shpjegimit të fakteve eksperimentale duket artificiale. Unë do të doja të mendoja se e gjithë shumëllojshmëria e fenomeneve optike mund të shpjegohet në bazë të një prej dy këndvështrimeve mbi vetitë e dritës.

Një nga arritjet më domethënëse të fizikës së shekullit tonë është bindja graduale e gabimit të përpjekjeve për të kontrastuar vetitë valore dhe kuantike të dritës me njëra-tjetrën. Vetitë e vazhdimësisë karakteristike të fushës elektromagnetike të një valë drite nuk përjashtojnë vetitë e diskretitetit karakteristike të kuanteve të dritës - fotoneve. Drita ka në të njëjtën kohë vetitë e valëve elektromagnetike të vazhdueshme dhe vetitë e fotoneve diskrete. Ai përfaqëson unitetin dialektik të këtyre vetive të kundërta. Rrezatimi elektromagnetik (drita) është një rrymë fotonesh, përhapja dhe shpërndarja e të cilave në hapësirë përshkruhet nga ekuacionet e valëve elektromagnetike. Kështu, drita ka një natyrë korpuskulare-valore.

Natyra valore korpuskulare e dritës reflektohet në formulë

p f = h v / c = h / l

Lidhja e karakteristikës korpuskulare të një fotoni - impulsi me valën karakteristike të dritës - me frekuencën (ose gjatësinë e valës).

Megjithatë, natyra me valë korpuskulare e dritës nuk do të thotë që drita është edhe grimcë edhe valë në paraqitjen e tyre të zakonshme klasike.

Marrëdhënia midis vetive korpuskulare dhe valore të dritës gjen një interpretim të thjeshtë duke përdorur një qasje statistikore (të mundshme) për të marrë në konsideratë shpërndarjen dhe përhapjen e fotoneve në hapësirë.

1) Merrni parasysh difraksionin e dritës, për shembull, nga një vrimë e rrumbullakët.

Nëse një foton kalohet përmes vrimës, nuk do të ketë vija të alternuara të lehta dhe të errëta në ekran, siç do të pritej nga pikëpamja e valës; fotoni godet një pikë ose një tjetër në ekran dhe nuk përhapet në të, siç duhet të jetë sipas koncepteve të valës. Por në të njëjtën kohë, është e pamundur të konsiderohet një foton si një grimcë dhe të llogaritet saktësisht se në cilën pikë godet, gjë që mund të bëhej nëse fotoni do të ishte një grimcë klasike.

Nëse N fotone kalohen nëpër një vrimë njëri pas tjetrit, fotone të ndryshëm mund të godasin pika të ndryshme në ekran. Por në ato vende ku, sipas koncepteve të valës, duhet të ketë vija të lehta, fotonet do të bien më shpesh.

Nëse të gjithë N fotonet kalohen përmes vrimës në të njëjtën kohë, atëherë në çdo pikë të hapësirës dhe ekranit ka po aq fotone sa kishte kur i kalonim një nga një. Por në këtë rast, numri përkatës i fotoneve godet çdo pikë të ekranit njëkohësisht dhe, nëse N është i madh, modeli i difraksionit që pritet nga pikëpamja e koncepteve të valës do të vërehet në ekran.

Për shembull, për skajet e interferencës së errët, amplituda në katror e lëkundjes dhe densiteti i probabilitetit të goditjes së fotoneve janë minimale, dhe për skajet e lehta amplituda në katror dhe densiteti i probabilitetit janë maksimale.

Kështu, nëse drita përmban një numër shumë të madh fotonesh, atëherë nën difraksion ajo mund të konsiderohet si një valë e vazhdueshme, megjithëse përbëhet nga fotone diskrete, të paqarta.

2) Në fenomenin e efektit fotoelektrik të jashtëm, është e rëndësishme që çdo foton të përplaset vetëm me një elektron (si një grimcë me një grimcë) dhe të përthithet prej tij, pa u ndarë në pjesë, në tërësi, dhe jo cili foton i veçantë. godet cilin elektron të veçantë të lirë (kjo përcaktohet nga vetitë valore) dhe e rrëzon atë. Prandaj, me efektin fotoelektrik, drita mund të konsiderohet si një rrymë grimcash.

Natyra valore korpuskulare e rrezatimit elektromagnetik u krijua posaçërisht për dritën sepse drita e zakonshme e diellit, me të cilën kemi të bëjmë në jetën e përditshme, nga njëra anë, përfaqëson një rrjedhë të një numri të madh fotonesh dhe shfaq qartë vetitë valore, dhe nga ana tjetër. , fotonet e dritës kanë energji të mjaftueshme për të kryer efekte të tilla si fotojonizimi, fotolumineshenca, fotosinteza, efekti fotoelektrik, në të cilin vetitë korpuskulare luajnë një rol vendimtar. Fotonet, që korrespondojnë, për shembull, me valët e radios, kanë energji të ulët, dhe fotonet individuale nuk kanë efekte të dukshme, dhe valët e radios të regjistruara duhet të përmbajnë shumë fotone dhe të sillen më shumë si valë. g- rrezet që dalin nga zbërthimi radioaktiv i bërthamave dhe reaksionet bërthamore kanë energji të lartë, veprimi i tyre regjistrohet lehtësisht, por rrjedha e një numri të madh fotonesh merret në kushte të veçanta në reaktorët bërthamorë. Prandaj, rrezet g shpesh manifestohen si grimca dhe jo si valë.

Pra, drita është korpuskulare në kuptimin që energjia, momenti, masa dhe rrotullimi i saj janë të lokalizuara në fotone dhe nuk shpërndahen në hapësirë, por jo në kuptimin që një foton mund të vendoset në një vend të caktuar të përcaktuar saktësisht në hapësirë. Drita sillet si një valë në kuptimin që përhapja dhe shpërndarja e fotoneve në hapësirë janë probabiliste: probabiliteti që një foton të jetë në një pikë të caktuar përcaktohet nga katrori i amplitudës në atë pikë. Por natyra probabilistike (valore) e shpërndarjes së fotoneve në hapësirë nuk do të thotë që fotoni ndodhet në çdo pikë në çdo moment të kohës.

Kështu, drita kombinon vazhdimësinë e valëve dhe diskretin e grimcave. Nëse marrim parasysh se fotonet ekzistojnë vetëm kur lëvizin (me shpejtësi c), atëherë arrijmë në përfundimin se drita njëkohësisht ka edhe veti valore dhe korpuskulare. Por në disa dukuri, në kushte të caktuara, rolin kryesor e luajnë vetitë valore ose korpuskulare dhe drita mund të konsiderohet ose si valë ose si grimca (korpuskula).

Zbatimi praktik i interferencës së dritës

Aplikimi i holografisë në testimin jo destruktiv të materialeve.

Një diagram tipik optik i një instalimi holografik është paraqitur në (Fig. 4 Lazeri 1 lëshon një rreze monokromatike drite, e cila ndahet në dysh duke përdorur një pllakë ndarëse të rrezes 2, rrezja A dhe vala e objektit drejtohen përmes një sistemi). i pasqyrave 3 dhe 7 dhe thjerrëzave 4 dhe 8 te objekti 5, reflektohet prej tij dhe godet pllakën fotografike 6, ku ndërhyn me valën referuese B. Të gjithë elementët e instalimit janë montuar në një sipërfaqe të ngurtë për të shmangur lëvizjet edhe shumë të vogla gjatë xhirimi i hologramit. Metoda e interferometrisë holografike konsiston në regjistrimin sekuencial të dy hologrameve nga një objekt në një pllakë fotografike, por në intervalin midis regjistrimeve objekti i nënshtrohet një lloj ndikimi (deformim mekanik, ngrohje, etj.). Si rezultat, gjatësia e shtegut optik të valëve të objektit të reflektuara para dhe pas ndikimit rezulton të jetë e ndryshme, lind një ndryshim shtesë i rrugës dhe, në përputhje me rrethanat, një zhvendosje e caktuar fazore e të dy valëve.

Kur lexoni një hologram të tillë, të dy valët e objektit riprodhohen dhe ndërhyjnë. Nëse deformimi i objektit është i vogël (i krahasueshëm me gjatësinë valore l), atëherë imazhi i objektit do të jetë i qartë, por i mbuluar me skaje ndërhyrjeje, gjerësia dhe forma e të cilave bëjnë të mundur përshkrimin sasior të deformimit të objektit, meqenëse pamja e skajeve në çdo pikë të sipërfaqes është proporcionale me ndryshimin e gjatësisë së rrugës optike.

Interferometria holografike përdoret gjithashtu për të zbuluar defektet nëse ato (çarje, zbrazëti, johomogjenitet i vetive të materialit, etj.) çojnë në deformim jonormal të sipërfaqes së një objekti nën ngarkim. Deformimet zbulohen nga ndryshimet në modelin e ndërhyrjes në krahasim me modelin që shfaqet pa një mostër të dëmtuar.

Testimi jo destruktiv i ndërhyrjes holografike përdor metoda të ndryshme ngarkimi. Për shembull, nën ngarkimin mekanik, zbulohen dhe lokalizohen mikroçarje të gjata disa milimetra, si në sipërfaqen e materialit ashtu edhe në afërsi të tij. Studime të tilla kryhen, në veçanti, për të zbuluar çarje në beton dhe për të monitoruar rritjen e tyre.

Interferometria holografike përdoret për të studiuar cilësinë e nyjeve në strukturat e zgavra, pastaj përdoret ngarkimi me presion dhe ngarkimi me vakum. Deformimi në zonat me defekt dhe, për rrjedhojë, modelet e ndërhyrjes janë të ndryshme nga deformimi i zonave të tjera të strukturës.

Shpesh përdoret ngarkimi termik. Kjo metodë bazohet në studimin e deformimeve të sipërfaqes që ndodhin kur ndryshon temperatura e sipërfaqes. Në zonën e defektit, fusha e temperaturës është e shtrembëruar, gjë që çon në një ndryshim lokal të deformimit dhe, rrjedhimisht, në një shtrembërim të modelit të ndërhyrjes. Për shkak të ndjeshmërisë së lartë të interferometrisë holografike, deformimet e regjistruara shfaqen kur temperatura e objektit ndryshon vetëm me disa gradë në krahasim me temperaturën e ambientit.

Aplikimi i efektit fotoelektrik

Pajisja më e thjeshtë që funksionon duke përdorur efektin fotoelektrik është një fotocelë me vakum. Një fotocelë me vakum përbëhet nga një llambë qelqi e pajisur me dy priza elektrike. Sipërfaqja e brendshme e balonës është pjesërisht e mbuluar me një shtresë të hollë metali. Kjo veshje shërben si katodë e fotocelës. Anoda ndodhet në qendër të cilindrit. Terminalet e katodës dhe anodës janë të lidhura me një burim tensioni konstant. Kur katoda ndriçohet, elektronet lirohen nga sipërfaqja e saj. Ky proces quhet efekti i jashtëm fotoelektrik. Elektronet lëvizin nën ndikimin e një fushe elektrike drejt anodës. Një rrymë elektrike lind në qarkun e fotocelës, forca e rrymës është proporcionale me fuqinë e rrezatimit të dritës. Kështu, fotocela konverton energjinë e rrezatimit të dritës në energji të rrymës elektrike.

Fotocelat gjysmëpërçuese përdoren gjithashtu për të kthyer energjinë e rrezatimit të dritës në energji të rrymës elektrike.

Elementi gjysmëpërçues ka strukturën e mëposhtme. Një shtresë e hollë gjysmëpërçuesi elektronik përçues krijohet në një kristal të sheshtë silikoni ose gjysmëpërçues tjetër vrima-përçues. Një kryqëzim p-n ndodh në ndërfaqen midis këtyre shtresave. Kur një kristal gjysmëpërçues ndriçohet, si rezultat i thithjes së dritës, shpërndarja e energjisë e elektroneve dhe vrimave ndryshon. Ky proces quhet efekti i brendshëm fotoelektrik. Si rezultat i efektit të brendshëm fotoelektrik, numri i elektroneve të lira dhe vrimave në gjysmëpërçues rritet, dhe ato ndahen në kufirin e kryqëzimit p-n.

Kur shtresat e kundërta të fotocelës gjysmëpërçuese lidhen me një përcjellës, në qark lind një rrymë elektrike; Fuqia e rrymës në qark është proporcionale me fuqinë e fluksit të dritës që bie në fotocelë.

Ndezja e fotocelës në seri me mbështjelljen e stafetës elektromagnetike ju lejon të ndizni ose fikni automatikisht aktivizuesit kur drita godet fotocelën. Fotocelat përdoren në kinema për të riprodhuar tingullin e regjistruar në film si kolonë zanore.

Fotocelat gjysmëpërçuese përdoren gjerësisht në satelitët artificialë të Tokës, stacionet automatike ndërplanetare dhe stacionet orbitale si termocentrale, me ndihmën e të cilave energjia e rrezatimit diellor shndërrohet në energji elektrike. Efikasiteti i gjeneratorëve fotovoltaikë gjysmëpërçues modernë kalon 20%.

Fotocelat gjysmëpërçuese përdoren gjithnjë e më shumë në jetën e përditshme. Ato përdoren si burime të rrymës jo të rinovueshme në orë dhe mikrokalkulatorë.

Hyrje 3

Ndërhyrja 4

Difraksioni 5

Polarizimi 6

Varianca 8

Hipoteza e Planck 9

Zbulimi i efektit fotografik 10

Ligjet e efektit fotoelektrik 11

Fotonet 14

Pamundësia e shpjegimit të efektit fotoelektrik në bazë të koncepteve valore të dritës 15

Shpjegimi i ligjeve të efektit fotoelektrik bazuar në konceptet kuantike të dritës. Ekuacioni i Ajnshtajnit për efektin fotoelektrik 16

Korpuskulare – natyra valore e dritës 18

Zbatimi praktik i interferencës së dritës 21

Zbatimi i efektit fotoelektrik 23

Referencat 25

Akademia Shtetërore e Transportit Ujor në Moskë

Departamenti i Fizikës dhe Kimisë

Abstrakt mbi konceptin e shkencës moderne natyrore (në fizikë)

në temën e:

"Dualiteti valë-grimcë, rëndësia e tij në teori dhe konfirmimi eksperimental"

E përfunduar:

student i vitit të 2-të

Grupet MVT-4

Mësues:

Kobranov.M.E

Moskë 2001

Bibliografi:

Gribov L.A. Prokofieva N.I., "Bazat e fizikës", ed. Shkenca 1995

Zhibrov A.E., Mikhailov V.K., Galtsev V.V., "Elementet e mekanikës kuantike dhe fizikës atomike", MISI im. V.V Kuibysheva, 1984

Shpolsky I.V., "Fizika atomike", ed. Shkencë, 1974

Gursky I.P., "Fizika elementare", Redaktuar nga Savelyev I.V., 1984.

"Libër shkollor elementar i fizikës", Ed. Landsberg G.S., 1986

Kabardin O.F., “Fizika”, red. Arsimi.

Savelyev I.V., "Kursi i Fizikës së Përgjithshme", ed. Shkencë, 1988

përmbajtja.

Prezantimi.
Vetitë valore të dritës.

a) Dispersion.

b) Difraksioni.

c) Polarizimi

Vetitë kuantike të dritës.

a) Efekti fotoelektrik.

b) Efekti Compton.

5. Përfundim.

6. Lista e literaturës së përdorur.

Prezantimi.

Tashmë në kohët e lashta, u përshkruan tre qasje kryesore për zgjidhjen e çështjes së natyrës së dritës. Këto tre qasje më pas morën formë në dy teori konkurruese - teoria korpuskulare dhe teoria valore e dritës.

Shumica dërrmuese e filozofëve dhe shkencëtarëve të lashtë e shihnin dritën si rreze të caktuara që lidhin një trup të ndritshëm dhe syrin e njeriut. Në të njëjtën kohë, disa prej tyre besonin se rrezet burojnë nga sytë e një personi, ata duket se e ndjejnë objektin në fjalë. Ky këndvështrim kishte një numër të madh ndjekësish, ndër të cilët ishte Euklidi. Formulimi i ligjit të parë të optikës gjeometrike, ligjit të përhapjes drejtvizore të dritës,Euklidi shkroi: "Rrezet e emetuara nga sytë udhëtojnë në një rrugë të drejtë." Ptolemeu dhe shumë shkencëtarë dhe filozofë të tjerë kishin të njëjtin mendim.

Sidoqoftë, më vonë, tashmë në mesjetë, kjo ide e natyrës së dritës humbet kuptimin e saj. Ka gjithnjë e më pak shkencëtarë që ndjekin këto pikëpamje. Dhe nga fillimi i shekullit të 17-të. ky këndvështrim mund të konsiderohet tashmë i harruar. Të tjerët, përkundrazi, besonin se rrezet lëshohen nga një trup i ndritshëm dhe, duke arritur në syrin e njeriut, mbajnë gjurmën e objektit të ndritshëm. Ky këndvështrim u mbajt nga atomistët Demokriti, Epikuri dhe Lukreci.

Këndvështrimi i fundit mbi natyrën e dritës më vonë, në shekullin e 17-të, mori formë në teorinë korpuskulare të dritës, sipas së cilës drita është një rrjedhë e disa grimcave të emetuara nga një trup i ndritshëm.

Pikëpamja e tretë mbi natyrën e dritës u shpreh nga Aristoteli. Ai e konsideronte dritën si një veprim ose lëvizje që përhapet në hapësirë (në një medium). Pak njerëz ndanë mendimin e Aristotelit në kohën e tij. Por më vonë, përsëri në shekullin e 17-të, këndvështrimi i tij u zhvillua dhe hodhi themelet për teorinë valore të dritës.

Nga mesi i shekullit të 17-të, ishin grumbulluar fakte që e shtynë mendimin shkencor përtej kufijve të optikës gjeometrike. Një nga shkencëtarët e parë që shtyu mendimin shkencor drejt teorisë së natyrës valore të dritës ishte shkencëtari çek Marzi. Puna e tij është e njohur jo vetëm në fushën e optikës, por edhe në fushën e mekanikës dhe madje edhe të mjekësisë. Në vitin 1648 ai zbuloi fenomenin e shpërndarjes së dritës.

Në shekullin e 17-të Në lidhje me zhvillimin e optikës, çështja e natyrës së dritës filloi të tërheqë gjithnjë e më shumë interes. Në këtë rast, gradualisht ndodh formimi i dy teorive të kundërta të dritës: korpuskulare dhe valore. Kishte tokë më të favorshme për zhvillimin e teorisë korpuskulare të dritës. Në të vërtetë, për optikën gjeometrike ideja se drita është një rrymë grimcash të veçanta ishte mjaft e natyrshme. Përhapja drejtvizore e dritës, si dhe ligjet e reflektimit dhe thyerjes, u shpjeguan mirë nga pikëpamja e kësaj teorie.

Ideja e përgjithshme e strukturës së materies gjithashtu nuk binte ndesh me teorinë korpuskulare të dritës. Në atë kohë, pikëpamjet mbi strukturën e materies bazoheshin në atomizëm. Të gjithë trupat përbëhen nga atome. Ka hapësirë boshe midis atomeve. Në veçanti, atëherë besohej se hapësira ndërplanetare ishte bosh. Drita nga trupat qiellorë përhapet në të në formën e rrymave të grimcave të dritës. Prandaj, është krejt e natyrshme që në shek. kishte shumë fizikantë që i përmbaheshin teorisë korpuskulare të dritës. Në të njëjtën kohë, ideja e natyrës valore të dritës filloi të zhvillohej. Dekarti mund të konsiderohet themeluesi i teorisë valore të dritës.

Uniteti i vetive korpuskulare dhe valore të rrezatimit elektromagnetik.

Fenomenet e diskutuara në këtë seksion - rrezatimi i trupit të zi, efekti fotoelektrik, efekti Compton - shërbejnë si dëshmi e koncepteve kuantike (korpuskulare) të dritës si një rrymë fotonesh. Nga ana tjetër, fenomene të tilla si interferenca, difraksioni dhe polarizimi i dritës konfirmojnë bindshëm natyrën valore (elektromagnetike) të dritës. Së fundi, presioni dhe thyerja e dritës shpjegohen si nga teoritë e valëve ashtu edhe nga ato kuantike. Kështu, rrezatimi elektromagnetik zbulon një unitet të mahnitshëm të vetive në dukje ekskluzive reciproke - të vazhdueshme (valë) dhe diskrete (fotone), të cilat plotësojnë njëra-tjetrën.

Një ekzaminim më i detajuar i fenomeneve optike çon në përfundimin se vetitë e vazhdimësisë karakteristike të fushës elektromagnetike të një valë drite nuk duhet të kundërshtohen me vetitë e diskretitetit karakteristik të një fotoni. Drita, që zotëron vetitë korpuskulare dhe valore, zbulon modele të caktuara në manifestimin e tyre. Kështu, vetitë valore të dritës manifestohen në ligjet e përhapjes së saj, ndërhyrjen, difraksionin, polarizimin dhe vetitë korpuskulare - në proceset e bashkëveprimit të dritës me lëndën. Sa më e gjatë të jetë gjatësia e valës, aq më e ulët është energjia dhe momenti i fotonit dhe aq më e vështirë është të zbulohen vetitë kuantike të dritës (për shembull, ekzistenca e kufirit të kuq të efektit fotoelektrik lidhet me këtë). Përkundrazi, sa më e shkurtër të jetë gjatësia e valës, aq më e madhe është energjia dhe momenti i fotonit dhe aq më e vështirë është të zbulohen vetitë e valës (për shembull, vetitë valore (difraksioni) i rrezatimit me rreze X u zbuluan vetëm pas përdorimit të kristaleve si një grilë difraksioni).

Marrëdhënia midis vetive të dyfishta të valëve të grimcave të dritës mund të shpjegohet nëse përdorim, siç bën optika kuantike, një qasje statistikore për të marrë në konsideratë ligjet e shikimit të dritës. Për shembull, difraksioni i dritës nga një çarje konsiston në faktin se kur drita kalon përmes çarjes, fotonet rishpërndahen në hapësirë. Meqenëse probabiliteti që fotonet të godasin pika të ndryshme në ekran nuk është i njëjtë, lind një model difraksioni. Ndriçimi i ekranit është proporcional me probabilitetin e goditjes së fotoneve për njësi sipërfaqe të ekranit. Nga ana tjetër, sipas teorisë së valës, ndriçimi është proporcional me katrorin e amplitudës së valës së dritës në të njëjtën pikë të ekranit. Prandaj, Katrori i amplitudës së një valë drite në një pikë të caktuar në hapësirë është një masë e probabilitetit që fotonet të godasin një pikë të caktuar.

Vetitë valore të dritës.

1.1 Dispersion.

Thelbi i zbulimeve të Njutonit ilustrohet nga eksperimentet e mëposhtme (Fig. 1) drita nga një fener ndriçon një vrimë të ngushtë S (slot). Duke përdorur një lente L në ekran merret imazhi i të çarës MN në formën e një drejtkëndëshi të shkurtër të bardhë S `. Duke vendosur një prizëm në rrugë P , buza e së cilës është paralele me të çarën, do të zbulojmë se imazhi i të çarës do të zhvendoset dhe do të kthehet në një shirit me ngjyrë, kalimet e ngjyrave në të cilat nga e kuqja në vjollcë janë të ngjashme me ato të vërejtura në një ylber. Njutoni e quajti këtë imazh të ylberit një spektër.

Nëse e mbuloni boshllëkun me xham me ngjyrë, d.m.th. nëse drejtoni dritën me ngjyrë në vend të dritës së bardhë në prizëm, imazhi i çarjes do të reduktohet në një drejtkëndësh me ngjyrë të vendosur në vendin përkatës në spektër, d.m.th. në varësi të ngjyrës, drita do të devijojë në kënde të ndryshme nga imazhi origjinal S `. Vëzhgimet e përshkruara tregojnë se rrezet me ngjyra të ndryshme thyhen ndryshe nga një prizëm.

Njutoni e verifikoi këtë përfundim të rëndësishëm përmes shumë eksperimenteve. Më e rëndësishmja prej tyre ishte përcaktimi i indeksit të thyerjes së rrezeve me ngjyra të ndryshme të izoluara nga spektri. Për këtë qëllim në ekran MN , mbi të cilin është marrë spektri, është prerë një vrimë; Duke lëvizur ekranin, ishte e mundur të lëshohej një rreze e ngushtë rrezesh të një ngjyre ose një tjetër përmes vrimës. Kjo metodë e izolimit të rrezeve uniforme është më e avancuar sesa izolimi duke përdorur xhami me ngjyrë. Eksperimentet kanë zbuluar se një rreze e tillë e ndarë, e thyer në një prizëm të dytë, nuk e shtrin më shiritin. Një rreze e tillë korrespondon me një indeks të caktuar thyes, vlera e të cilit varet nga ngjyra e rrezes së zgjedhur.

Kështu, eksperimentet kryesore të Njutonit përmbanin dy zbulime të rëndësishme:

1) Drita me ngjyra të ndryshme karakterizohet nga indekse të ndryshme refraktive në një substancë të caktuar (dispersion).

2) Ngjyra e bardhë është një koleksion ngjyrash të thjeshta.

Tani e dimë se ngjyra të ndryshme korrespondojnë me gjatësi vale të ndryshme të dritës. Prandaj, zbulimi i parë i Njutonit mund të formulohet si më poshtë:

Indeksi i thyerjes së një substance varet nga gjatësia e valës së dritës.

Zakonisht rritet me zvogëlimin e gjatësisë së valës.

1.2 Difraksioni.

Një valë drite nuk e ndryshon formën gjeometrike të pjesës së përparme kur përhapet në një mjedis homogjen. Sidoqoftë, nëse drita përhapet në një mjedis johomogjen, në të cilin, për shembull, ka ekrane të errët, rajone të hapësirës me një ndryshim relativisht të mprehtë në indeksin e thyerjes, etj., atëherë vërehet një shtrembërim i frontit të valës. Në këtë rast, një rishpërndarje e intensitetit të valës së dritës ndodh në hapësirë. Kur ndriçohen, për shembull, ekranet e errët me një burim pikë drite në kufirin e hijes, ku, sipas ligjeve të optikës gjeometrike, duhet të bëhet një kalim i papritur nga hija në dritë, janë një numër vijash të errëta dhe të lehta. vërehet një pjesë e dritës depërton në rajonin e hijes gjeometrike. Këto dukuri lidhen me difraksionin e dritës.

Teoria e difraksionit merr në konsideratë proceset valore në rastet kur ka ndonjë pengesë në rrugën e përhapjes së valës.

1.3 Polarizimi

Të gjitha dukuritë e vëzhguara mund të shpjegohen nëse nxirren përfundimet e mëposhtme.

Dridhjet e dritës në rreze drejtohen pingul me vijën e përhapjes së dritës (valët e dritës janë tërthore).

Turmalina është në gjendje të transmetojë dridhje të dritës vetëm kur ato drejtohen në një mënyrë të caktuar në lidhje me boshtin e saj.

Në dritën e një feneri (dielli), vibrimet tërthore të çdo drejtimi paraqiten dhe, për më tepër, në të njëjtën proporcion, në mënyrë që asnjë drejtim të mos mbizotërojë.

Vetitë kuantike të dritës.

2.1 Efekti fotoelektrik.

Hipoteza kuantike e Planck shërbeu si bazë për shpjegimin e fenomenit të efektit fotoelektrik, të zbuluar në 1887. Fizikani gjerman Heinrich Hertz.

Ekzistojnë disa lloje të fotoefekteve: fotoefektet e jashtme dhe të brendshme, fotoefektet e valvulave dhe një sërë efektesh të tjera.

Efekti i jashtëm fotoelektrik është fenomeni i nxjerrjes së elektroneve nga një substancë nën ndikimin e dritës që bie mbi të.

2.2 Efekti Compton.

Vetitë korpuskulare të dritës manifestohen më plotësisht në efektin Compton. Fizikani amerikan A. Compton (1892-1962), duke studiuar në vitin 1923 shpërndarjen e rrezatimit monokromatik të rrezeve X nga substanca me atome të lehta (parafinë, bor), zbuloi se në përbërjen e rrezatimit të shpërndarë, së bashku me rrezatimin e gjatësisë së valës origjinale. , u vërejt edhe rrezatim me gjatësi vale më të madhe.

Efekti Compton është shpërndarja elastike e rrezatimit elektromagnetik me valë të shkurtër (rrezet X dhe rrezatimi gama) në elektronet e lira (ose të lidhura dobët) të një lënde, i shoqëruar nga një rritje në gjatësinë e valës. Ky efekt nuk përshtatet në kuadrin e teorisë së valës, sipas së cilës gjatësia e valës nuk duhet të ndryshojë gjatë shpërndarjes: nën ndikimin e fushës periodike të një vale drite, elektroni lëkundet me frekuencën e fushës dhe për këtë arsye lëshon valë të shpërndara. të së njëjtës frekuencë.

Një shpjegim i efektit Compton është dhënë në bazë të koncepteve kuantike rreth natyrës së dritës. Nëse supozojmë, siç bën teoria kuantike, se rrezatimi është i një natyre korpuskulare.

Efekti Compton vërehet jo vetëm në elektrone, por edhe në grimca të tjera të ngarkuara, siç janë protonet, megjithatë, për shkak të masës së madhe të protonit, mbrapshtja e tij është "e dukshme" vetëm kur shpërndahen fotone me energji shumë të lartë.

Si efekti Compton ashtu edhe efekti fotoelektrik i bazuar në konceptet kuantike shkaktohen nga ndërveprimi i fotoneve me elektronet. Në rastin e parë, fotoni shpërndahet, në të dytën thithet. Shpërndarja ndodh kur një foton ndërvepron me elektronet e lira, dhe efekti fotoelektrik ndodh me elektronet e lidhura. Mund të tregohet se kur një foton përplaset me elektrone të lira, thithja e fotonit nuk mund të ndodhë, pasi kjo është në kundërshtim me ligjet e ruajtjes së momentit dhe energjisë. Prandaj, kur fotonet ndërveprojnë me elektronet e lira, mund të vërehet vetëm shpërhapja e tyre, d.m.th. Efekti Compton.

konkluzioni.

Lista e literaturës së përdorur.

1) A.A. Detlaf B.M. Yavorsky "Kursi i fizikës" ed. "Shkolla e Lartë" 2000

2) T.I. Trofimov "Kursi i fizikës" ed. "Shkolla e Lartë" 2001

3) H. Kuhling “Handbook of Physics” ed. "Paqja" 1982

4) Gursky I.P. "Fizika Elementare" ed. I.V. Savelyeva 1984

5) Tarasov L.V., Tarasova A.N. "Biseda mbi thyerjen e dritës" / ed. V.A.

Fabrikanta, ed. "Shkenca", 1982.

Zbulimi i vetive korpuskulare të dritës në eksperimentet mbi efektin fotoelektrik, në eksperimentin Compton dhe në një numër eksperimentesh të tjera nuk mund të anulojë faktet e vendosura fort të pranisë së vetive të valës në dritë, të zbuluara kur vëzhgohen fenomenet e ndërhyrjes, difraksionit. , dhe polarizimi. Fakti që drita ka veçori të valëve dhe të grimcave quhet dualitet valë-grimcë.

Vetitë e kundërta të valëve dhe grimcave në fizikën klasike e bëjnë të pajustifikuar pohimin se drita është edhe valë edhe rrymë grimcash. Drita nuk është as valë, as rrjedhë grimcash. Natyra e dritës është më komplekse dhe nuk mund të përshkruhet pa kontradikta të brendshme duke përdorur imazhe vizuale të fizikës klasike. Kuptimi i dualizmit valë-grimcë të vetive të dritës është se, në varësi të kushteve eksperimentale, natyra e dritës mund të përshkruhet përafërsisht duke përdorur koncepte valore ose korpuskulare.

Një nga opsionet për reduktimin e natyrës komplekse të dritës në një më të thjeshtë është një përpjekje për të përfaqësuar një foton në formën e një treni valësh elektromagnetike të kufizuara në hapësirë dhe kohë, që rezulton nga shtimi i një numri të madh valësh elektromagnetike harmonike. Nëse kjo ide e një fotoni do të ishte e vërtetë, atëherë kur një rreze drite kalonte përmes një pllake me një shtresë pasqyre të tejdukshme, gjysma e çdo treni do të transmetohej dhe gjysma do të reflektohej. Ndarja e çdo fotoni në dy mund të zbulohej nga funksionimi i njëkohshëm i pajisjeve të vendosura në rrugën e rrezeve të dritës të transmetuara dhe të reflektuara. Megjithatë, përvoja tregon se pajisjet nuk funksionojnë njëkohësisht. Ose i pari prej tyre funksionon, ose i dyti veçmas. Kjo do të thotë që çdo foton nuk ndahet në dy nga një pllakë me një shtresë të tejdukshme, por me probabilitet të barabartë ose

reflektohet ose kalon nëpër pllakë si një e tërë e vetme.

Zbatueshmëria e kufizuar e imazheve të fizikës klasike për përshkrimin e vetive të dritës shprehet jo vetëm në faktin se konceptet e valës janë të përshtatshme për të përshkruar rezultatet e disa eksperimenteve, dhe ato korpuskulare për të tjerët, por edhe në konventat e përdorimit të këtyre imazheve. në cdo rast. Kur përdorim koncepte korpuskulare kur përshkruajmë efektin fotoelektrik dhe shpërndarjen e Compton, nuk duhet të harrojmë dallimet domethënëse midis vetive të një fotoni dhe vetive të grimcave në fizikën klasike. Masa e pushimit të një fotoni është zero, shpejtësia e lëvizjes së tij në çdo kornizë inerciale të referencës është e njëjtë dhe nuk ka asnjë kornizë referimi në të cilën shpejtësia e tij do të ishte e barabartë me zero. Duke e konsideruar dritën si një rrymë grimcash - fotone, duhet të përdorim një karakteristikë të pastër valore të dritës - frekuencë - për të përcaktuar masën e një fotoni. Kur studiojmë fenomene valore si ndërhyrja dhe difraksioni i dritës, është e nevojshme të përdoret një fotocelë ose pllakë fotografike për të regjistruar modelin e ndërhyrjes ose të difraksionit, d.m.th., të përdoren vetitë kuantike të dritës për të zbuluar vetitë e saj valore.

1. Cilat rregullsi të efektit fotoelektrik nuk mund të shpjegohen në bazë të teorisë valore të dritës?

2. Shpjegoni pse vonesa e efektit fotoelektrik rrjedh nga teoria valore.

3. A është e njëjtë energjia kinetike e elektroneve të çliruara nga një metal nën ndikimin e fotoneve me frekuencë të njëjtë?

4. A është e mundur të vëzhgohet dukuria e shpërndarjes së komptonit të fotoneve të dritës së dukshme?

5. A është e mundur të kryhet eksperimenti i Bothe-s duke përdorur një llambë elektrik dore dhe numërues të fotoneve të dritës së dukshme si burim fotoni?

Nëse mendonit se jemi zhytur në harresë me temat tona marramendëse, atëherë ne nxitojmë t'ju zhgënjejmë dhe t'ju bëjmë të lumtur: keni gabuar! Në fakt, gjatë gjithë kësaj kohe jemi përpjekur të gjejmë një metodë të pranueshme për të paraqitur tema të çmendura që lidhen me paradokset kuantike. Ne shkruam disa drafte, por të gjitha u hodhën në të ftohtë. Sepse kur vjen puna për të shpjeguar shakatë kuantike, ne vetë ngatërrohemi dhe pranojmë se nuk kuptojmë shumë (dhe në përgjithësi, pak njerëz e kuptojnë këtë çështje, përfshirë shkencëtarët e lezetshëm të botës). Mjerisht, bota kuantike është aq e huaj për botëkuptimin filistin sa nuk është aspak turp të pranosh keqkuptimin tënd dhe të përpiqemi pak së bashku për të kuptuar të paktën bazat.

Dhe megjithëse, si zakonisht, do të përpiqemi të flasim sa më qartë që të jetë e mundur me imazhe nga Google, lexuesit të papërvojë do t'i duhet një përgatitje fillestare, kështu që ju rekomandojmë që të shikoni temat tona të mëparshme, veçanërisht për kuantet dhe materien.
Sidomos për humanistët dhe njerëzit e tjerë të interesuar - paradokset kuantike. Pjesa 1.

Në këtë temë do të flasim për misterin më të zakonshëm të botës kuantike - dualitetin valë-grimcë. Kur themi "më e zakonshmja" nënkuptojmë se fizikanët janë lodhur aq shumë prej saj sa nuk duket as si mister. Por kjo është e gjitha sepse paradokset e tjera kuantike janë edhe më të vështira për t'u pranuar nga mendja mesatare.

Dhe ishte kështu. Në ditët e mira të vjetra, diku në mesin e shekullit të 17-të, Njutoni dhe Huygens nuk pajtoheshin për ekzistencën e dritës: Njutoni paturpësisht deklaroi se drita është një rrjedhë grimcash, dhe Huygens-i i vjetër u përpoq të provonte se drita është një valë. Por Njutoni ishte më autoritar, kështu që deklarata e tij për natyrën e dritës u pranua si e vërtetë dhe Huygens u tall. Dhe për dyqind vjet drita u konsiderua si një rrjedhë e disa grimcave të panjohura, natyrën e të cilave ata shpresonin të zbulonin një ditë.

Në fillim të shekullit të 19-të, një orientalist i quajtur Thomas Young u përpoq me instrumente optike - si rezultat, ai mori dhe kreu një eksperiment që tani quhet eksperimenti i Young dhe çdo fizikant e konsideron këtë eksperiment të shenjtë.

Thomas Young sapo drejtoi një rreze (me të njëjtën ngjyrë, në mënyrë që frekuenca të ishte afërsisht e njëjtë) drite përmes dy të çarave në pllakë dhe vendosi një pllakë tjetër ekrani pas saj. Dhe rezultatin ua tregoi kolegëve të tij. Nëse drita do të ishte një rrjedhë grimcash, atëherë do të shihnim dy vija të lehta në sfond.
Por, për fat të keq për të gjithë botën shkencore, në ekranin e pllakës u shfaqën një sërë vija të errëta dhe të lehta. Një fenomen i zakonshëm i quajtur interferencë është mbivendosja e dy (ose më shumë valëve) njëra mbi tjetrën.

Nga rruga, është falë ndërhyrjes që ne vëzhgojmë nuancat e ylberit në një njollë vaji ose në një flluskë sapuni.

Me fjalë të tjera, Thomas Young provoi eksperimentalisht se drita është valë. Bota shkencore nuk donte ta besonte Jung për një kohë të gjatë, dhe në një kohë ai u kritikua aq shumë sa që ai madje braktisi idetë e tij për teorinë e valëve. Por besimi në drejtësinë e tyre ende mbizotëronte dhe shkencëtarët filluan ta konsiderojnë dritën si një valë. Vërtetë, një valë e asaj - ishte një mister.
Këtu, në foto, është eksperimenti i vjetër i mirë i Jung.

Duhet thënë se natyra valore e dritës nuk ndikoi shumë në fizikën klasike. Shkencëtarët rishkruan formulat dhe filluan të besojnë se së shpejti e gjithë bota do të binte në këmbët e tyre nën një formulë të vetme universale për gjithçka.
Por ju tashmë e keni marrë me mend se Ajnshtajni, si gjithmonë, shkatërroi gjithçka. Problemi u zvarrit nga ana tjetër - në fillim shkencëtarët u hutuan në llogaritjen e energjisë së valëve termike dhe zbuluan konceptin e kuanteve (sigurohuni që të lexoni për këtë në temën tonë përkatëse ""). Dhe më pas, me ndihmën e këtyre kuantave, Ajnshtajni i dha një goditje fizikës, duke shpjeguar fenomenin e efektit fotoelektrik.

Shkurtimisht: efekti fotoelektrik (një nga pasojat e të cilit është ekspozimi i filmit) është trokitja e elektroneve nga sipërfaqja e materialeve të caktuara nga drita. Teknikisht, ky trokitje ndodh sikur drita të ishte një grimcë. Ajnshtajni e quajti një grimcë të dritës një kuant drite, dhe më vonë iu dha një emër - foton.

Në vitin 1920, efekti i mahnitshëm Compton iu shtua teorisë kundër valës së dritës: kur një elektron bombardohet me fotone, fotoni kthehet nga elektroni me një humbje energjie (ne "gjuajm" në blu, por i kuqja fluturon off), si një top i bilardos nga një tjetër. Compton fitoi çmimin Nobel për këtë.

Këtë herë, fizikanët ishin të kujdesshëm për të braktisur thjesht natyrën valore të dritës, por në vend të kësaj u menduan shumë. Shkenca përballet me një mister të tmerrshëm: drita është valë apo grimcë?

Drita, si çdo valë, ka një frekuencë - dhe kjo është e lehtë për t'u kontrolluar. Ne shohim ngjyra të ndryshme sepse çdo ngjyrë është thjesht një frekuencë e ndryshme e një vale elektromagnetike (të dritës): e kuqja është një frekuencë e ulët, vjollca është një frekuencë e lartë.
Por është e mahnitshme: gjatësia e valës së dritës së dukshme është pesë mijë herë më e madhe se madhësia e një atomi - si përshtatet një "gjë" e tillë në një atom kur atomi thith këtë valë? Nëse fotoni është vetëm një grimcë e krahasueshme në madhësi me një atom. A është një foton i madh dhe i vogël në të njëjtën kohë?

Për më tepër, efekti fotoelektrik dhe efekti Compton vërtetojnë qartë se drita është ende një rrjedhë grimcash: nuk mund të shpjegohet se si një valë transferon energji tek elektronet e lokalizuara në hapësirë - nëse drita do të ishte valë, atëherë disa elektrone do të rrëzoheshin më vonë. se të tjerët, dhe fenomeni Ne nuk do të vëzhgonim efektin fotoelektrik. Por në rastin e një rrjedhe, një foton i vetëm përplaset me një elektron të vetëm dhe, në kushte të caktuara, e rrëzon atë nga atomi.

Si rezultat, u vendos: drita është edhe valë edhe grimcë. Ose më mirë, as njëra as tjetra, por një formë e re e panjohur më parë e ekzistencës së materies: dukuritë që vëzhgojmë janë vetëm projeksione ose hije të gjendjes reale të punëve, në varësi të mënyrës se si e shikoni atë që po ndodh. Kur shikojmë hijen e një cilindri të ndriçuar nga njëra anë, shohim një rreth, dhe kur ndriçohet nga ana tjetër, shohim një hije drejtkëndëshe. Kështu është edhe me paraqitjen e dritës me valë grimce.

Por edhe këtu nuk është gjithçka e lehtë. Nuk mund të themi se e konsiderojmë dritën si valë ose rrymë grimcash. Shikoni nga dritarja. Papritur, edhe në xhamin e larë pastër, ne shohim reflektimin tonë, megjithëse të paqartë. Çfarë është kapja? Nëse drita është një valë, atëherë është e lehtë të shpjegohet reflektimi në një dritare - ne shohim efekte të ngjashme në ujë kur një valë reflektohet nga një pengesë. Por nëse drita është një rrjedhë grimcash, atëherë reflektimi nuk mund të shpjegohet kaq lehtë. Në fund të fundit, të gjitha fotonet janë të njëjta. Sidoqoftë, nëse ato janë të gjitha të njëjta, atëherë pengesa në formën e xhamit të dritares duhet të ketë të njëjtin efekt mbi to. Ose të gjithë kalojnë nëpër xhami, ose të gjitha reflektohen. Por në realitetin e ashpër, disa nga fotonet fluturojnë nëpër xhami, dhe ne shohim shtëpinë fqinje dhe menjëherë shohim reflektimin tonë.

Dhe i vetmi shpjegim që më vjen ndërmend: fotonet janë më vete. Është e pamundur të parashikohet me një probabilitet qind për qind se si do të sillet një foton i veçantë - nëse do të përplaset me xhamin si grimcë apo si valë. Kjo është baza e fizikës kuantike - sjellje krejtësisht, absolutisht e rastësishme e materies në nivel mikro pa asnjë arsye (dhe në botën tonë të sasive të mëdha, ne e dimë nga përvoja se gjithçka ka një arsye). Ky është një gjenerues i përsosur i numrave të rastësishëm, ndryshe nga hedhja e monedhës.

Ajnshtajni i shkëlqyer, i cili zbuloi fotonin, ishte i bindur deri në fund të jetës së tij se fizika kuantike ishte e gabuar dhe i siguroi të gjithë se "Zoti nuk luan zare". Por shkenca moderne konfirmon gjithnjë e më shumë se ajo luan.

Në një mënyrë apo tjetër, një ditë shkencëtarët vendosën t'i jepnin fund debatit të "valës ose grimcave" dhe të riprodhonin përvojën e Jung-ut duke marrë parasysh teknologjitë e shekullit të 20-të. Në këtë kohë, ata kishin mësuar të gjuanin fotone një nga një (gjeneratorët kuantikë, të njohur në popullatën si "lazer"), dhe për këtë arsye u vendos të kontrollohej se çfarë do të ndodhte në ekran nëse dikush qëllonte një grimcë në dy çarje: më në fund do të bëhet e qartë se çfarë është materia në kushte të kontrolluara eksperimentale.

Dhe befas - një kuant i vetëm drite (fotoni) tregoi një model ndërhyrjeje, domethënë, grimca fluturoi nëpër të dy çarjet në të njëjtën kohë, fotoni ndërhyri me vetveten (në terma shkencorë). Le të sqarojmë pikën teknike - në fakt, fotografia e ndërhyrjes u shfaq jo nga një foton, por nga një seri të shtënash në një grimcë në intervale prej 10 sekondash - me kalimin e kohës, skajet e Young, të njohura për çdo student të C që nga viti 1801, u shfaqën në ekrani.

Nga pikëpamja e valës, kjo është logjike - vala kalon nëpër çarje, dhe tani dy valë të reja ndryshojnë në rrathë koncentrikë, duke mbivendosur njëra-tjetrën.
Por nga pikëpamja korpuskulare, rezulton se fotoni është në dy vende në të njëjtën kohë kur kalon nëpër të çarat dhe pasi kalon përzihet me vetveten. Kjo është përgjithësisht normale, a?
Doli se ishte normale. Për më tepër, duke qenë se fotoni është në dy të çara njëherësh, kjo do të thotë se ai është njëkohësisht kudo si para çarjeve ashtu edhe pas fluturimit nëpër to. Dhe në përgjithësi, nga pikëpamja e fizikës kuantike, fotoni i lëshuar midis fillimit dhe përfundimit është njëkohësisht "kudo dhe menjëherë". Fizikanët e quajnë një mbivendosje të tillë të një grimce "gjithkund menjëherë" - një fjalë e tmerrshme, e cila dikur ishte një përkëdhelje matematikore, tani është bërë realitet fizik.

Njëfarë E. Schrödinger, një kundërshtar i mirënjohur i fizikës kuantike, në këtë kohë kishte gërmuar diku një formulë që përshkruante vetitë valore të materies, siç është uji. Dhe pasi e ngatërrova pak, për tmerrin tim, nxora të ashtuquajturin funksion të valës. Ky funksion tregoi probabilitetin e gjetjes së një fotoni në një vend të caktuar. Vini re se kjo është një probabilitet, jo një vendndodhje e saktë. Dhe kjo probabilitet varej nga katrori i lartësisë së kreshtës së valës kuantike në një vend të caktuar (nëse dikush është i interesuar për detajet).

Ne do t'i kushtojmë një kapitull të veçantë çështjeve të matjes së vendndodhjes së grimcave.

Zbulimet e mëtejshme treguan se gjërat me dualizëm janë edhe më të këqija dhe më misterioze.
Në vitin 1924, një farë Louis de Broglie tha se vetitë valë-korpuskulare të dritës janë maja e ajsbergut. Dhe të gjitha grimcat elementare e kanë këtë veti të pakuptueshme.
Domethënë, një grimcë dhe një valë në të njëjtën kohë nuk janë vetëm grimca të fushës elektromagnetike (fotone), por edhe grimca reale si elektronet, protonet, etj. E gjithë lënda rreth nesh në nivelin mikroskopik është valë(dhe grimca në të njëjtën kohë).

Dhe disa vjet më vonë, kjo madje u konfirmua eksperimentalisht - amerikanët hodhën elektrone në tubat e rrezeve katodike (të cilat janë të njohura për pordhat e sotme me emrin "kinescope") - dhe kështu vëzhgimet në lidhje me reflektimin e elektroneve konfirmuan se një elektron është gjithashtu një valë (për lehtësinë e të kuptuarit, mund të thuash se ata vendosën një pllakë me dy të çara në rrugën e elektronit dhe panë ndërhyrjen e elektronit ashtu siç është).

Deri më sot, eksperimentet kanë zbuluar se atomet gjithashtu kanë veti valore, madje disa lloje të veçanta molekulash (të ashtuquajturat "fullerene") manifestohen si valë.

Mendja kërkuese e lexuesit, e cila ende nuk është shtangur nga historia jonë, do të pyesë: nëse materia është valë, atëherë pse, për shembull, një top fluturues nuk lyhet në hapësirë në formën e valës? Pse një avion reaktiv nuk i ngjan aspak valës, por është shumë i ngjashëm me një avion reaktiv?

De Broglie, djalli, shpjegoi gjithçka këtu: po, një top fluturues ose një Boeing është gjithashtu një valë, por gjatësia e kësaj valë është më e shkurtër, aq më i madh është impulsi. Momenti është masa shumëfish i shpejtësisë. Kjo do të thotë, sa më e madhe të jetë masa e materies, aq më e shkurtër është gjatësia e valës së saj. Gjatësia e valës së një topi që fluturon me një shpejtësi prej 150 km/h do të jetë afërsisht 0.00 metra. Prandaj, ne nuk jemi në gjendje të vërejmë se si topi përhapet në hapësirë si valë. Për ne është materie e fortë.
Një elektron është një grimcë shumë e lehtë dhe, duke fluturuar me një shpejtësi prej 6000 km/sek, do të ketë një gjatësi vale të dukshme prej 0.0000000001 metrash.

Nga rruga, le t'i përgjigjemi menjëherë pyetjes pse bërthama atomike nuk është aq "valore". Megjithëse ndodhet në qendër të atomit, rreth të cilit elektroni fluturon çmendurisht dhe në të njëjtën kohë është i lyer, ai ka një moment të mirë të lidhur me masën e protoneve dhe neutroneve, si dhe lëkundjet (shpejtësia) me frekuencë të lartë për shkak të për ekzistencën e një shkëmbimi të vazhdueshëm të grimcave brenda bërthamës bashkëveprim i fortë (lexoni temën). Prandaj, thelbi është më shumë si materia e ngurtë me të cilën jemi njohur. Elektroni, me sa duket, është e vetmja grimcë me masë që ka shprehur qartë vetitë valore, kështu që të gjithë e studiojnë atë me kënaqësi.

Le të kthehemi te grimcat tona. Kështu rezulton: një elektron që rrotullohet rreth një atomi është edhe grimcë edhe valë. Kjo do të thotë, grimca rrotullohet, dhe në të njëjtën kohë, elektroni si valë përfaqëson një guaskë të një forme të caktuar rreth bërthamës - si mund të kuptohet kjo edhe nga truri i njeriut?

Ne kemi llogaritur tashmë më lart se një elektron fluturues ka një gjatësi vale mjaft të madhe (për një mikrokozmos), dhe për t'u përshtatur rreth bërthamës së një atomi, një valë e tillë ka nevojë për një hapësirë të pahijshme të madhe. Kjo është pikërisht ajo që shpjegon përmasat kaq të mëdha të atomeve në krahasim me bërthamën. Gjatësia e valës së elektronit përcaktojnë madhësinë e atomit. Hapësira boshe midis bërthamës dhe sipërfaqes së atomit është e mbushur nga "akomodimi" i gjatësisë së valës (dhe në të njëjtën kohë grimca) e elektronit. Ky është një shpjegim shumë i vrazhdë dhe i pasaktë - ju lutemi na falni - në realitet gjithçka është shumë më e ndërlikuar, por qëllimi ynë është që të paktën të lejojmë njerëzit që janë të interesuar për të gjitha këto të gërryejnë një pjesë të granitit të shkencës.

Le të jemi të qartë përsëri! Pas disa komenteve për artikullin [në YP], kuptuam se çfarë pike të rëndësishme i mungonte këtij artikulli. Kujdes! Forma e materies që përshkruajmë nuk është as valë as grimcë. Ajo ka vetëm (njëkohësisht) vetitë e valës dhe vetitë e grimcave. Nuk mund të thuhet se një valë elektromagnetike ose një valë elektronike është si valët e detit ose valët e zërit. Valët me të cilat jemi njohur përfaqësojnë përhapjen e shqetësimeve në hapësirën e mbushur me disa substanca.
Fotonet, elektronet dhe raste të tjera të mikrokozmosit, kur lëvizin në hapësirë, mund të përshkruhen me ekuacione valore, sjellja e tyre është vetëm e ngjashme me një valë, por në asnjë rast ato nuk janë valë. Është e ngjashme me strukturën korpuskulare të materies: sjellja e një grimce është e ngjashme me fluturimin e topave të vegjël me pikë, por këto nuk janë kurrë topa.
Kjo duhet kuptuar dhe pranuar, përndryshe të gjitha mendimet tona përfundimisht do të çojnë në kërkimin e analogëve në makrokozmos, dhe kështu të kuptuarit e fizikës kuantike do të marrë fund dhe do të fillojë friarizmi ose filozofia sharlatane, si magjia kuantike dhe materialiteti i mendimeve.

Ne do të shqyrtojmë përfundimet e mbetura të tmerrshme dhe pasojat e eksperimentit të modernizuar të Jung më vonë në pjesën tjetër - pasiguria e Heisenberg, macja e Schrödinger, parimi i përjashtimit Pauli dhe ngatërrimi kuantik presin lexuesin e durueshëm dhe të zhytur në mendime, i cili do të rilexojë artikujt tanë më shumë se një herë dhe do të gërmojë përmes internetit në kërkim të informacionit shtesë.

Faleminderit të gjithëve për vëmendjen tuaj. Gëzuar pagjumësi ose makthe njohëse për të gjithë!

NB: Ju kujtojmë me zell se të gjitha imazhet janë marrë nga Google (kërko sipas imazheve) - autorësia përcaktohet atje.
Kopjimi i paligjshëm i tekstit ndiqet penalisht, shtypet, mirë, ju e dini...