Energjia korpuskulare. Abstrakt: Dualizmi me valë korpuskulare

Drita ka mbetur prej kohësh një nga objektet kryesore të studimit. Shumë shkencëtarë kërkuan të kuptonin natyrën e tij, por kjo ishte e vështirë për t'u bërë për shkak të aftësive të kufizuara. Teoria e parë që u përpoq të shpjegonte natyrën e dritës ishte teoria e valës. Për një kohë të gjatë ajo u konsiderua e saktë dhe e vërtetë, dhe nuk kishte parakushte për formimin e dualitetit valë-grimcë. Në atë kohë, në fizikë ekzistonte një mendim se drita për nga natyra e saj ishte një valë, dhe atomet dhe grimcat e tjera të vogla kishin vetëm veti trupore.

Teoria filloi të shembet sepse nuk mund të shpjegohej Si rezultat i eksperimenteve të tij, Rutherford bëri supozimin se bërthama e atomit është në qendër, pjesa më e madhe e masës është e përqendruar atje dhe elektronet janë të shpërndara në të gjithë hapësirën. të gjithë vëllimin, duke mbushur lirshëm hapësirën. Por teoria nuk u konfirmua, sepse sipas llogaritjeve, një sistem i tillë nuk mund të ishte i qëndrueshëm.

Parakushtet për formimin e një teorie të re

Më vonë u zbulua fenomeni i efektit fotoelektrik, i cili doli përtej kornizës së fizikës klasike, e cila dominonte në atë kohë. Më pas, ishte efekti fotoelektrik që ndihmoi në formimin e dualizmit grimcë-valë, sepse kjo çoi në nevojën për të krijuar. E veçanta e tij ishte se grimcat fituan veti që do të ishin të pamundura nëse do të konsideroheshin në dritën e parimeve të fizikës klasike. Dualiteti valë-grimcë u bë një nga teoritë e para të studiuara në të renë

Thelbi i efektit fotoelektrik ishte se substancat e zakonshme, kur ekspozohen ndaj rrezatimit me valë të shkurtër, lëshojnë elektrone të shpejta. Mospërputhja kryesore me fizikën klasike ishte fakti se energjia e elektroneve të shpejta të emetuara nuk varej nga intensiteti i rrezatimit. Të vetmet gjëra që kishin rëndësi ishin vetitë e vetë substancës, si dhe frekuenca e rrezatimit. Në atë kohë, nuk ishte e mundur të shpjegoheshin mekanizmat e çlirimit të fotoelektronit bazuar në të dhënat e disponueshme.

Teoria e valës dukej harmonike dhe e pamohueshme. Sipas tij, energjia e rrezatimit shpërndahej në mënyrë uniforme në valën e dritës. Kur godet një elektron, ai i jep një sasi të caktuar energjie, në përputhje me rrethanat, sipas kësaj teorie, sa më i lartë të jetë intensiteti, aq më e madhe është energjia. Sidoqoftë, në realitet gjithçka doli disi ndryshe.

Zhvillimi i idesë së dualizmit

Albert Einstein filloi të shprehte ide rreth natyrës diskrete të dritës. Teoria kuantike e fushës dhe konceptet e fushave kuantike gjithashtu filluan të zhvillohen, të cilat ndihmuan në formimin e dualitetit valë-grimcë.

Në fund të fundit është se drita mund të ndikohet, prandaj, ajo ka vetitë fizike të një rryme grimcash - fotone. Por në të njëjtën kohë, në fenomene të tilla si difraksioni, ai demonstron veti të dukshme valore. Janë kryer një sërë eksperimentesh që vërtetojnë dualitetin e strukturës së dritës. Mbi bazën e tyre u ndërtua dualizmi valë-grimcë i dritës, d.m.th. Fotoni shfaq veti korpuskulare, por në një numër eksperimentesh ai kishte manifestime të qarta të vetive të valës.

Duhet kuptuar se ide të tilla janë aktualisht vetëm me interes historik. Dualizmi valë-grimcë i vetive të materies u formua si teori gjatë periudhës kur studimi i vetive të tilla sapo kishte filluar, dhe në të njëjtën kohë u themeluan degë të reja të fizikës. Një teori e tillë ishte një përpjekje për të shpjeguar fenomene të reja në gjuhën e fizikës klasike.

Në fakt, nga pikëpamja e fizikës kuantike, objekte të tilla nuk janë grimca, të paktën në kuptimin klasik. Ata fitojnë veti të caktuara vetëm kur afrohen. Megjithatë, teoria e dualizmit përdoret ende për të shpjeguar disa parime të natyrës së dritës.

Termi "dualizëm" në fizikë në një kuptim të gjerë do të thotë:

1) ekzistenca e vetive të kundërta në objektet fizike;

2) përdorimi i koncepteve të kundërta gjatë përshkrimit dhe shpjegimit të fenomeneve fizike;

3) prania e deklaratave të kundërta (reciprokisht ekskluzive) në formulimin e ligjeve që rregullojnë fenomenet fizike.

Shfaqjet më themelore të dualizmit janë:

1) dualizmi grimcë-valë në vetitë e grimcave elementare;

2) prania në natyrë e grimcave dhe antigrimcave, ngarkesave elektrike të kundërta, shenjave të ndryshme të numrave lepton dhe barion (shih Pjesën IV, § 23), etj.;

3) vetitë e kundërta të grimcave të materies dhe fushave të forcës, d.m.th., materia "korpuskulare" dhe "fushë";

4) përdorimi i koncepteve “energji” dhe “punë”;

5) ekzistenca në sistemet fizike të forcave refuzuese dhe tërheqëse, veprimi i njëkohshëm i të cilave përcakton vetitë e sistemeve fizike;

6) lidhja ndërmjet ndryshimeve sasiore dhe cilësore në vetitë e sistemeve fizike;

7) paqartësia dhe probabiliteti në ligjet e fizikës;

8) diskretiteti dhe vazhdimësia në natyrë, lidhja ndërmjet tyre, etj.

Thelbi i dualizmit (d.m.th., përmbajtja e termave "veti të kundërta", "koncepte", "deklarata") mund të tregohet me shembullin e një kombinimi të vetive korpuskulare dhe valore të grimcave elementare (fotone, elektrone, etj.) . Teksti (shih Pjesën IV, § 10-12) tregoi se:

1) Vetitë korpuskulare dhe valore të grimcave janë të pandashme nga njëra-tjetra. Çdo grimcë i ka të dyja këto veti në unitet dhe

kushtëzimi i ndërsjellë, dhe nuk ka asnjë mënyrë për të privuar një grimcë nga një nga këto veti. Me sa duket, nuk ka grimca që kanë vetëm veti korpuskulare ose vetëm valore;

2) Vetitë korpuskulare dhe ato valore janë të pareduktueshme me njëra-tjetrën. Kjo do të thotë se vetitë valore të një grimce nuk mund të shpjegohen përmes atyre korpuskulare dhe anasjelltas;

3) Vetitë korpuskulare dhe ato valore janë të lidhura pazgjidhshmërisht.

Dualiteti valë-grimcë qëndron në themel të fizikës kuantike, e cila përshkruan sistemet dhe proceset mikrofizike. Kështu, një nga degët më të rëndësishme të fizikës moderne është dualiste në natyrë dhe përmbajtje. Funksioni valor i vazhdueshëm i grimcave dhe sistemeve fizike, nga njëra anë, dhe vetitë korpuskulare të të njëjtave grimca dhe sisteme, nga ana tjetër, ekzistojnë në fizikën kuantike në unitet dhe lidhje reciproke. Të gjitha përpjekjet për të eliminuar këtë dualizëm ishin të pasuksesshme. Prandaj, mund të argumentohet se dualizmi në teorinë kuantike nuk është një fenomen i përkohshëm, i rastësishëm, anësor i shkaktuar, për shembull, nga vështirësitë në përshkrimin e sistemeve mikrofizike, por një pasqyrim i dualizmit objektiv që mbizotëron në natyrë.

Le të shqyrtojmë një tjetër manifestim të dualizmit në natyrë - praninë e grimcave dhe antigrimcave. Le të vërejmë së pari se vetitë fizike të grimcave mund të ndahen në dy grupe:

1) vetitë që ndryshojnë midis grimcave të ndryshme vetëm në madhësi; Më e rëndësishmja prej tyre është masa inerte. Vini re se masa nuk është një veti shtesë (masa e një sistemi fizik është më e vogël se shuma e masave të grimcave përbërëse të matura në gjendje të lirë), varet nga gjendja e grimcave (shpejtësia e lëvizjes) dhe nga kushtet në të cilën ndodhet grimca (masa e nukleoneve në fushën e forcave bërthamore ndryshon nga masa e tyre jashtë bërthamës);

2) vetitë që ndryshojnë cilësisht, për shembull, ngarkesat elektrike të kundërta. Vini re se ngarkesat janë aditivitet dhe nuk varen nga shpejtësia e lëvizjes dhe kushtet në të cilat ndodhen grimcat e ngarkuara. Kjo do të thotë se ngarkesat (si dhe numrat leptonik dhe barion) janë veti më themelore të grimcave sesa masa inerciale.

Grimcat elementare mund të renditen sipas një grupi të vetive themelore të qenësishme në to. Në varësi të natyrës dhe numrit të këtyre vetive, përcaktohet përmbajtja e koncepteve të tilla si grimca "identike" ose "të ndryshme". Është e qartë se identiteti i grimcave (ose objekteve fizike në përgjithësi) është rasti kufizues i ngjashmërisë, kur nuk ka dallim midis objekteve: as në grupin e vetive të qenësishme për to, as në strukturën, gjendjen dhe sjelljen e tyre nën të ndryshme. kushte (objekte të tilla identike janë grimca elementare të një lloji të caktuar, duke qenë në të njëjtat kushte). Kundërshtimi i objekteve fizike duhet të konsiderohet si një rast ekstrem i ndryshimit, kur ky ndryshim është i plotë, domethënë objektet nuk kanë ndonjë veti identike.

Vini re se grimcat dhe antigrimcat në këtë kuptim nuk janë të kundërta, pasi përveç që janë të ndryshme, ato kanë edhe të njëjtat veti (për shembull, një elektron dhe një pozitron kanë ngarkesa të ndryshme, por të njëjtën masë spin dhe pushim). Kështu, grimcat dhe antigrimcat janë objekte polare, por jo të kundërta.

Në lidhje me sa më sipër, lindin pyetjet e mëposhtme:

1) a ekzistojnë "objekte të kundërta" në natyrë;

2) a është i mundur ndërveprimi ndërmjet tyre, cilat janë tiparet e këtij ndërveprimi dhe rëndësia e tij në natyrë;

3) si ndryshojnë ndërveprimet ndërmjet objekteve identike, polare dhe të kundërta?

Diskutimi i këtyre çështjeve ka një rëndësi të rëndësishme ideologjike; rezultatet pozitive të këtij diskutimi do të bëjnë të mundur qartësimin e ideve tona për mënyrën se si funksionon natyra përreth nesh. Një diskutim i tillë duhet të bëhet mbi bazën e një sistemi specifik filozofik dhe do të prekë të gjitha degët e fizikës. Në veçanti, mund të besojmë se objektet e kundërta në natyrë janë "materia" dhe "fushat". “Materia” zakonisht i referohet grimcave elementare dhe sistemeve të përbëra prej tyre: bërthamat atomike, atomet, molekulat, etj.; "Fusha" i referohet fushave të ndryshme të forcës: gravitacionale, elektromagnetike, bërthamore, etj. Ekzistojnë dy ide për fushat. Njëra prej tyre supozon se fushat mbushin vazhdimisht hapësirën rreth grimcave të materies dhe, duke qenë "në një mënyrë të veçantë" të lidhura me to, përcaktojnë natyrën dhe intensitetin e ndërveprimit midis tyre. Një pikëpamje tjetër sugjeron se çdo fushë përbëhet nga "grimca të veçanta të fushës" që emetohen dhe absorbohen nga grimcat e materies dhe në këtë mënyrë gjenerojnë forca ndërveprimi ndërmjet tyre. Për shembull, fusha elektromagnetike konsiderohet se përbëhet nga fotone ("gaz fotonik"); nëse numri i tyre për njësi vëllimi është shumë i madh, atëherë fusha elektromagnetike do të sillet si një medium i vazhdueshëm; nëse ky numër është i vogël dhe studiohen proceset në të cilat marrin pjesë fotone individuale, atëherë koncepti i fushës elektromagnetike si një mjedis i vazhdueshëm humbet kuptimin e tij.

Këtu është e nevojshme të theksohet se idetë ekzistuese për materien dhe fushat nuk duhet të konsiderohen përfundimtare. Zhvillimi i fizikës eksperimentale dhe teorike mund të çojë jo vetëm në sqarime, por edhe në ndryshime rrënjësore në idetë tona për natyrën dhe thelbin e fenomeneve që ndodhin në të. Është e mundur që në të ardhmen të triumfojnë botëkuptimet moniste, sipas të cilave natyra përbëhet nga: 1) ose vetëm grimca të materies, dhe fusha është vetëm një mënyrë për të përshkruar ndërveprimin midis tyre; 2) ose vetëm nga fusha të ndryshme, dhe grimcat e materies janë vetëm "pikat e veçanta" të tyre. Megjithatë, është e mundur që të gjitha të dhënat e njohura eksperimentale të marrin një shpjegim të kënaqshëm mbi bazën e një botëkuptimi dualist, në të cilin materia dhe fushat konsiderohen si objekte të kundërta, të pakalueshme dhe të pandashme nga njëra-tjetra, ndërveprimi i pandashëm i të cilave është baza. nga të gjitha dukuritë natyrore që vëzhgojmë.

Dualizmi zbulohet gjithashtu në ekzistencën e njëkohshme të një përshkrimi probabilist dhe të paqartë të fenomeneve fizike. Përshkrimi klasik, rreptësisht determinist nuk mund të përjashtohet nga fizika; është e nevojshme të përshkruhet rrjedha më e mundshme e dukurive fizike. Nga ana tjetër, ka gjithmonë një shpërndarje në gjendjet e objekteve që studiohen (dhe në sasitë fizike që përshkruajnë këto gjendje), dhe kjo shpërndarje është në natyrë probabiliste. Aktualisht, ekzistenca objektive e proceseve probabiliste në natyrë konsiderohet teorikisht dhe eksperimentalisht e vërtetuar; në fizikën kuantike (shih Pjesën IV, § 10, 11) përgjithësisht mohohet veçantia në sjelljen e grimcave elementare dhe mikrosistemeve. Kjo nuk do të thotë një mohim i plotë i veçantisë (determinizmit) në natyrë, por vetëm një kufizim i fushës së veprimit. Siguria dhe probabiliteti janë koncepte dualiste; ato janë të pandashme (shpërndarja probabiliste ekziston rreth vlerave më të mundshme të përfshira në ligje të paqarta), të pazvogëlueshme (është e pamundur të kufizohet vetëm në një mënyrë për të përshkruar fenomenet fizike), dhe lidhja e tyre e ndërsjellë mund të shihet pothuajse në të gjitha degët e fizikës.

Dualizmi në grimcat elementare është thelbësor në formimin e vetive të sistemeve fizike të formuara nga këto grimca. Duke marrë parasysh sistemet e njohura mikrofizike, mund të vërehet se ato janë formuar përfundimisht nga grimca të ndryshme. Grimcat identike ose nuk ndërveprojnë, ose zmbrapsin njëra-tjetrën dhe nuk formojnë një sistem fizik me veti cilësore të reja. Për shembull, protonet, neutronet dhe elektronet individualisht nuk formojnë sisteme fizike, por kur kombinohen së bashku ato formojnë bërthama dhe atome të substancave të ndryshme. Mund të argumentohet se në një koleksion grimcash elementare identike ka gjithmonë një shtim të thjeshtë (shtesë) të vetive të tyre. Vetëm gjatë bashkëveprimit të grimcave me veti të kundërta ndodh një sintezë e veçantë (cilësore) e këtyre vetive, për shkak të së cilës sistemet fizike fitojnë veti të reja. Kështu, mund të argumentohet se shfaqja e vetive cilësisht të reja është e mundur vetëm përmes ndërveprimit të grimcave thelbësisht të ndryshme.

Dualizmi objektiv i natyrës pasqyrohet në konceptet më të rëndësishme fizike. Një shembull tipik janë konceptet e diskretitetit dhe vazhdimësisë. Ato nuk janë të reduktueshme me njëri-tjetrin; përndryshe, dikush mund të kufizohet në përdorimin e vetëm një prej këtyre koncepteve. Në historinë e fizikës, janë të njohura përpjekjet për të përjashtuar diskretitetin ose vazhdimësinë nga përshkrimi i fenomeneve, por ato nuk ishin të suksesshme. Ato janë të pandashme nga njëra-tjetra dhe të ndërlidhura në mënyrë të pandashme në të gjitha fenomenet fizike, pasi ato përfshijnë domosdoshmërisht grimca dhe fusha, duke futur elemente diskrete dhe vazhdimësie me vetitë e tyre themelore.

Si përfundim, vërejmë se vetë fizika si shkencë zhvillohet në bazë të bashkëveprimit të dy pjesëve të kundërta - teorike dhe eksperimentale, të cilat janë të pandashme dhe të ndërlidhura, të pakalueshme me njëra-tjetrën dhe ndërveprojnë, duke përcaktuar drejtimin dhe rrjedhën e zhvillimit të fizikës. shkencat.

Hyrje

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 në thyerjen e dritës në lidhje me përpjekjet për të përmirësuar teleskopët. Në një 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 ndryshohet 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 dritë më e vogël e incidentit 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 për efektin 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. Kështu, në mënyrë eksperimentale vërtetohet padiskutim se drita, përveç vetive valore, ka edhe veti korpuskulare.

Natyra korpuskulare-valore e dritës

Fenomenet e ndërhyrjes, difraksionit, 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 tjerët 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 korpuskulare-valore 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).

Sidoqoftë, 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.

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 temë:

"Dualizmi 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

Referencat:

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

Gjatë njëqind viteve të fundit, shkenca ka bërë përparime të mëdha në studimin e strukturës së botës sonë në të dy nivelet mikroskopike dhe makroskopike. Zbulimet e mahnitshme që na sjellin teoritë speciale dhe të përgjithshme të relativitetit dhe mekanikës kuantike ende emocionojnë mendjet e publikut. Sidoqoftë, çdo person i arsimuar duhet të kuptojë të paktën bazat e arritjeve moderne shkencore. Një nga pikat më mbresëlënëse dhe më të rëndësishme është dualiteti valë-grimcë. Ky është një zbulim paradoksal, kuptimi i të cilit është përtej mundësive të perceptimit intuitiv të përditshëm.

Korpuskulat dhe valët

Dualizmi u zbulua për herë të parë në studimin e dritës, e cila u soll krejtësisht ndryshe në varësi të kushteve. Nga njëra anë, doli se drita është një valë elektromagnetike optike. Nga ana tjetër, ekziston një grimcë diskrete (veprimi kimik i dritës). Fillimisht, shkencëtarët besuan se këto dy ide ishin reciproke ekskluzive. Megjithatë, eksperimentet e shumta kanë treguar se nuk është kështu. Gradualisht, realiteti i një koncepti të tillë si dualiteti valë-grimcë u bë i zakonshëm. Ky koncept ofron bazën për të studiuar sjelljen e objekteve komplekse kuantike që nuk janë as valë as grimca, por vetëm fitojnë vetitë e të fundit ose të parës në varësi të kushteve të caktuara.

Eksperiment me çarje të dyfishtë

Difraksioni i fotonit është një demonstrim i qartë i dualizmit. Detektori i grimcave të ngarkuara është një pllakë fotografike ose një ekran fluoreshent. Çdo foton individual u shënua nga ndriçimi ose një blic pikë. Kombinimi i shenjave të tilla dha një model ndërhyrje - alternimi i shiritave të ndriçuar dobët dhe fort, gjë që është një karakteristikë e difraksionit të valës. Kjo shpjegohet me një koncept të tillë si dualiteti valë-grimcë. Fizikani i famshëm dhe laureati i Nobelit Richard Feynman tha se materia sillet në përmasa të vogla në atë mënyrë që është e pamundur të ndjehet "natyraliteti" i sjelljes kuantike.

Dualizmi universal

Sidoqoftë, kjo përvojë është e vlefshme jo vetëm për fotonet. Doli se dualizmi është një pronë e të gjithë materies dhe është universale. Heisenberg argumentoi se materia ekziston në të dyja format në mënyrë alternative. Sot është vërtetuar absolutisht se të dyja pronat shfaqen plotësisht njëkohësisht.

Vala korpuskulare

Si mund ta shpjegojmë këtë sjellje të materies? Vala që është e natyrshme në korpuskulat (grimcat) quhet vala de Broglie, e quajtur sipas shkencëtarit të ri aristokrat që propozoi një zgjidhje për këtë problem. Në përgjithësi pranohet se ekuacionet e de Broglie përshkruajnë një funksion valor, i cili, në katror, ​​përcakton vetëm probabilitetin që një grimcë të jetë në pika të ndryshme në hapësirë ​​në kohë të ndryshme. E thënë thjesht, një valë de Broglie është një probabilitet. Kështu, u vendos barazia midis konceptit matematikor (probabilitetit) dhe procesit real.

Fusha kuantike

Cilat janë trupat e materies? Në përgjithësi, këto janë kuante të fushave valore. Një foton është një kuantë e një fushe elektromagnetike, një pozitron dhe një elektron janë një fushë elektron-pozitron, një mezon është një kuant i një fushe mezon, etj. Ndërveprimi midis fushave valore shpjegohet me shkëmbimin e grimcave të caktuara të ndërmjetme midis tyre, për shembull, gjatë ndërveprimit elektromagnetik ka një shkëmbim fotonesh. Nga kjo rrjedh drejtpërdrejt një konfirmim tjetër se proceset valore të përshkruara nga de Broglie janë fenomene fizike absolutisht reale. Dhe dualizmi i valëve të grimcave nuk vepron si një "veti misterioze e fshehur" që karakterizon aftësinë e grimcave për të "rimishëruar". Ai tregon qartë dy veprime të ndërlidhura - lëvizjen e një objekti dhe procesin e valës që lidhet me të.

Efekti i tunelit

Dualiteti valë-grimcë i dritës lidhet me shumë dukuri të tjera interesante. Drejtimi i veprimit të valës de Broglie shfaqet gjatë të ashtuquajturit efekt tuneli, domethënë kur fotonet depërtojnë përmes barrierës së energjisë. Ky fenomen shkaktohet nga momenti i grimcave që tejkalon vlerën mesatare në momentin e antinyjës së valës. Tuneli ka bërë të mundur zhvillimin e shumë pajisjeve elektronike.

Ndërhyrja e kuanteve të dritës

Shkenca moderne flet për ndërhyrjen e fotoneve në të njëjtën mënyrë misterioze si për ndërhyrjen e elektroneve. Rezulton se një foton, i cili është një grimcë e pandashme, mund të kalojë njëkohësisht përgjatë çdo rruge të hapur për veten dhe të ndërhyjë në vetvete. Nëse marrim parasysh se dualiteti valë-grimcë i vetive të materies dhe fotonit është një valë që mbulon shumë elementë strukturorë, atëherë pjesëtueshmëria e saj nuk përjashtohet. Kjo bie ndesh me pikëpamjet e mëparshme të grimcës si një formacion elementar i pandashëm. Duke poseduar një masë të caktuar lëvizjeje, fotoni formon një valë gjatësore të lidhur me këtë lëvizje, e cila i paraprin vetë grimcës, pasi shpejtësia e valës gjatësore është më e madhe se ajo e valës tërthore elektromagnetike. Prandaj, ka dy shpjegime për ndërhyrjen e një fotoni me vetveten: grimca është e ndarë në dy komponentë, të cilët ndërhyjnë me njëri-tjetrin; Vala e fotonit udhëton përgjatë dy shtigjeve dhe formon një model ndërhyrjeje. Eksperimentalisht u zbulua se një model ndërhyrje krijohet gjithashtu kur grimcat e vetme të ngarkuara-fotone kalojnë nëpër interferometër me radhë. Kjo konfirmon tezën se çdo foton individual ndërhyn në vetvete. Kjo shihet veçanërisht qartë kur merret parasysh fakti se drita (as koherente dhe as monokromatike) është një koleksion fotonesh që emetohen nga atomet në procese të ndërlidhura dhe të rastësishme.

Çfarë është drita?

Një valë drite është një fushë elektromagnetike jo e lokalizuar që shpërndahet në të gjithë hapësirën. Fusha elektromagnetike e një vale ka një densitet të energjisë vëllimore që është proporcionale me katrorin e amplitudës. Kjo do të thotë se dendësia e energjisë mund të ndryshojë me çdo sasi, domethënë është e vazhdueshme. Nga njëra anë, drita është një rrjedhë e kuanteve dhe fotoneve (korpuskulave), të cilat, falë universalitetit të një fenomeni të tillë si dualiteti grimcë-valë, përfaqësojnë vetitë e një valë elektromagnetike. Për shembull, në fenomenet e ndërhyrjes dhe difraksionit dhe shkallëve, drita shfaq qartë karakteristikat e një valë. Për shembull, një foton i vetëm, siç përshkruhet më sipër, duke kaluar nëpër një çarje të dyfishtë krijon një model ndërhyrjeje. Me ndihmën e eksperimenteve, u vërtetua se një foton i vetëm nuk është një puls elektromagnetik. Nuk mund të ndahet në trarë me ndarës rrezesh, siç treguan fizikanët francezë Aspe, Roger dhe Grangier.

Drita gjithashtu ka veti korpuskulare, të cilat manifestohen në efektin Compton dhe efektin fotoelektrik. Një foton mund të sillet si një grimcë që absorbohet tërësisht nga objektet, dimensionet e të cilave janë shumë më të vogla se gjatësia e valës së tij (për shembull, një bërthamë atomike). Në disa raste, fotonet në përgjithësi mund të konsiderohen objekte pika. Nuk ka dallim nga pozicioni që ne i konsiderojmë vetitë e dritës. Në fushën e vizionit të ngjyrave, një rrymë drite mund të veprojë si një valë dhe një grimcë-foton si një kuant energjetik. Një pikë e fokusuar në një fotoreceptor të retinës, siç është membrana e konit, mund të lejojë që syri të formojë vlerën e tij të filtruar si rrezet kryesore spektrale të dritës dhe t'i renditë ato në gjatësi vale. Sipas vlerave kuantike të energjisë, në tru pika e objektit do të përkthehet në një ndjesi ngjyrash (imazh optik i fokusuar).

Shembuj tipikë të objekteve që shfaqin sjellje të dyfishtë valë-grimcë janë elektronet dhe drita; parimi është gjithashtu i vlefshëm për objektet më të mëdha, por, si rregull, sa më masiv të jetë objekti, aq më pak manifestohen vetitë e tij valore (ne nuk po flasim këtu për sjelljen e valëve kolektive të shumë grimcave, për shembull, valët në sipërfaqe të një lëngu).

Ideja e dualitetit valë-grimcë u përdor në zhvillimin e mekanikës kuantike për të interpretuar fenomenet e vëzhguara në mikrobotë në terma të koncepteve klasike. Në realitet, objektet kuantike nuk janë as valë klasike dhe as grimca klasike, që shfaqin vetitë e të parës ose të dytë vetëm në varësi të kushteve të eksperimenteve që kryhen mbi to. Dualiteti valë-grimcë është i pashpjegueshëm brenda kornizës së fizikës klasike dhe mund të interpretohet vetëm në mekanikën kuantike.

Një zhvillim i mëtejshëm i konceptit të dualitetit valë-grimcë ishte koncepti i fushave të kuantizuara në teorinë e fushës kuantike.

De Broglie përshëndet

Parimi i dualitetit valë-grimcë merr një shprehje sasiore në idenë e valëve të de Broglie. Për çdo objekt që shfaq veti valore dhe korpuskulare, ekziston një lidhje midis momentit p (\displaystyle \mathbf (p) ) dhe energji E (\displaystyle E), e natyrshme në këtë objekt si një grimcë, dhe parametrat e saj të valës - vektori i valës k (\displaystyle \mathbf (k)), gjatësi vale λ (\displaystyle \lambda), frekuenca ν (\displaystyle \nu), frekuencë ciklike ω (\displaystyle \omega). Kjo lidhje jepet nga relacionet:

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

Dhe

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

- konstante Planck e reduktuar dhe e zakonshme, respektivisht. Këto formula janë të vërteta për energjinë dhe momentin relativist.

Vala de Broglie vihet në përputhje me çdo objekt lëvizës të mikrobotës; Kështu, në formën e valëve de Broglie, grimcat e lehta dhe masive i nënshtrohen ndërhyrjes dhe difraksionit. Në të njëjtën kohë, sa më e madhe të jetë masa e grimcës, aq më e shkurtër është gjatësia e valës së saj de Broglie me të njëjtën shpejtësi dhe aq më e vështirë është të regjistrohen vetitë e saj valore. Përafërsisht, kur ndërvepron me mjedisin e tij, një objekt sillet si një grimcë nëse gjatësia e valës së tij de Broglie është shumë më e vogël se dimensionet karakteristike të pranishme në mjedisin e tij dhe si një valë nëse është shumë më e gjatë; Rasti i ndërmjetëm mund të përshkruhet vetëm brenda kornizës së një teorie kuantike të plotë.

Kuptimi fizik i valës de Broglie është si vijon: katrori i amplitudës së valës në një pikë të caktuar në hapësirë ​​është i barabartë me densitetin e probabilitetit të zbulimit të një grimce në një pikë të caktuar nëse matet pozicioni i saj. Në të njëjtën kohë, derisa të kryhet matja, grimca në të vërtetë nuk është e vendosur në një vend të caktuar, por "përlyhet" në të gjithë hapësirën në formën e një valë de Broglie. Historia e zhvillimit Pyetjet rreth natyrës së dritës dhe materies kanë një histori të gjatë, por deri në një kohë të caktuar besohej se përgjigjet ndaj tyre duhet të jenë të paqarta: drita është ose një rrjedhë grimcash ose një valë; materia ose përbëhet nga grimca individuale që i binden mekanikës klasike, ose është një medium i vazhdueshëm.

Përshkrimi i valës në dukje i vendosur i dritës doli të ishte i paplotë kur në vitin 1901 Planck mori një formulë për spektrin e rrezatimit të një trupi absolutisht të zi, dhe më pas Ajnshtajni shpjegoi efektin fotoelektrik, bazuar në supozimin se drita me një gjatësi vale të caktuar lëshohet dhe absorbohet ekskluzivisht në pjesë të caktuara. Një pjesë e tillë - një sasi drite, e quajtur më vonë foton - transferon energji në përpjesëtim me frekuencën e valës së dritës me një koeficient.

Dualiteti valë-grimcë i dritës

Si shembull klasik i zbatimit të parimit të dualitetit valë-grimcë, drita mund të interpretohet si një rrymë trupash (fotone), të cilat në shumë efekte fizike shfaqin vetitë e valëve elektromagnetike klasike. Drita shfaq veti valore në dukuritë e difraksionit dhe ndërhyrjes në shkallë të krahasueshme me gjatësinë e valës së dritës. Për shembull, madje beqare fotonet që kalojnë nëpër çarjen e dyfishtë prodhojnë një model interferencash në ekran, të përcaktuar nga ekuacionet e Maxwell-it.

Megjithatë, eksperimenti tregon se një foton nuk është një puls i shkurtër i rrezatimit elektromagnetik, për shembull, ai nuk mund të ndahet në disa rreze me anë të ndarësve të rrezeve optike, siç u tregua qartë nga një eksperiment i kryer nga fizikanët francezë Grangier, Roger dhe Aspe në 1986; . Vetitë korpuskulare të dritës manifestohen në modelet e rrezatimit termik të ekuilibrit, në efektin fotoelektrik dhe në efektin Compton. Një foton sillet gjithashtu si një grimcë që emetohet ose absorbohet tërësisht nga objekte, dimensionet e të cilave janë shumë më të vogla se gjatësia e valës së tij (për shembull, bërthamat atomike), ose në përgjithësi mund të konsiderohet si pika (për shembull, një elektron).

Sa më e shkurtër të jetë gjatësia e valës së rrezatimit elektromagnetik, aq më e madhe është energjia dhe momenti i fotoneve dhe aq më e vështirë është të zbulohen vetitë valore të këtij rrezatimi. Për shembull, rrezatimi me rreze X difraktohet vetëm në një grilë difraksioni shumë "të hollë" - rrjetën kristalore të një trupi të ngurtë.

Sjellja valore e objekteve të mëdha

Sjellja e valës shfaqet jo vetëm nga grimcat elementare dhe nukleonet, por edhe nga objektet më të mëdha - molekulat. Në vitin 1999, për herë të parë u vu re difraksioni i fullereneve. Në vitin 2013, u arrit difraksioni i molekulave që peshonin më shumë se 10,000 amu. , i përbërë nga më shumë se 800 atome secili.

Sidoqoftë, nuk është plotësisht e sigurt nëse objektet me një masë më të madhe se masa e Planck-ut në parim mund të shfaqin sjellje valore.

Shihni gjithashtu

Shënime

1. Fjala "korpuskulë" do të thotë "grimcë" dhe praktikisht nuk përdoret jashtë kontekstit të dualitetit valë-grimcë.
2. Gershtein S.S. Dualiteti valë-grimcë// Enciklopedia fizike: [në 5 vëllime] / K. ed. A. M. Prokhorov. - M.: Sovjetike Enciklopedia, 1990. - T. 2: Faktori i cilësisë - Magneto-optika. - fq 464-465. - 704 f. - 100,000 kopje.