Radyasyonun dalga ve parçacık özelliklerinin dualizmi. Dalga-parçacık ikiliği

Dalga-parçacık ikiliği– herhangi bir mikropartikülün, bir partikül (parçacık) ve bir dalganın işaretlerini tespit etme özelliği. Dalga-parçacık ikiliği en açık şekilde temel parçacıklarda kendini gösterir. Bir elektron, bir nötron, bir foton, bazı koşullar altında, uzayda iyi lokalize edilmiş maddi nesneler (parçacıklar) gibi davranır, klasik yörüngeler boyunca belirli enerjiler ve dürtülerle hareket eder ve diğerlerinde, yeteneklerinde kendini gösteren dalgalar gibi davranır. girişim ve kırınım. Böylece, serbest elektronlara saçılan bir elektromanyetik dalga, elektromanyetik alanın kuantumu olan fotonlar gibi bireysel parçacıklardan oluşan bir akış gibi davranır (Compton etkisi) ve fotonun momentumu p = h/λ formülüyle verilir, burada λ elektromanyetik dalganın uzunluğu ve h Planck sabitidir. Bu formül başlı başına düalizmin kanıtıdır. İçinde, solda tek bir parçacığın (fotonun) momentumu, sağda ise fotonun dalga boyu vardır. Parçacık olarak düşünmeye alışkın olduğumuz elektronların dualitesi, tek bir kristalin yüzeyinden yansıdığında elektronların dalga özelliklerinin bir tezahürü olan bir kırınım modelinin gözlemlenmesiyle ortaya çıkar. Bir elektronun parçacık ve dalga özellikleri arasındaki niceliksel ilişki, bir fotonla aynıdır: р = h/λ (р, elektronun momentumudur ve λ, onun de Broglie dalga boyudur). Dalga-parçacık ikiliği kuantum fiziğinin temelidir.

Dalga (kürk), her zaman uzayda belirli bir hacmi kaplayan maddi ortamla ilişkili bir süreçtir.

64. De Broglie el sallıyor. Mikropartiküllerin elektron kırınımı dalga özellikleri.

Mikropartiküllerin hareketinin dalga doğası hakkındaki hipotezde alınan maddenin parçacık dalga özellikleri hakkında fikirlerin geliştirilmesi. Louis de Broglie, madde ve ışık parçacıklarının doğadaki simetrisi fikrinden hareketle, herhangi bir mikropartiküle belirli bir iç periyodik süreç atfetmiştir (1924). E = hν ve E = mc 2 formüllerini birleştirerek her parçacığın kendine ait olduğunu gösteren bir ilişki elde etti. dalga boyu : λ B = h/mv = h/p, burada p dalga parçacığının momentumudur. Örneğin, enerjisi 10 eV olan bir elektron için de Broglie dalga boyu 0,388 nm'dir. Daha sonra kuantum mekaniğinde bir mikroparçacığın durumunun belirli bir kompleksle tanımlanabileceği gösterildi. dalga fonksiyonu koordinatları Ψ(q) ve bu fonksiyonun kare modülü |Ψ| 2 Koordinat değerlerinin olasılık dağılımını tanımlar. Bu fonksiyon kuantum mekaniğine ilk kez 1926'da Schrödinger tarafından dahil edilmiştir. Dolayısıyla de Broglie dalgası enerji taşımaz, yalnızca uzaydaki bazı olasılıksal periyodik süreçlerin "faz dağılımını" yansıtır. Sonuç olarak, mikro dünya nesnelerinin durumunun açıklaması olasılıksal doğa klasik mekaniğin yasalarıyla tanımlanan makro dünyanın nesnelerinin aksine.

De Broglie'nin mikropartiküllerin dalga doğası hakkındaki fikrini kanıtlamak için Alman fizikçi Elsasser, elektron kırınımını gözlemlemek için kristallerin kullanılmasını önerdi (1925). ABD'de K. Davisson ve L. Germer, bir elektron ışınının bir nikel kristali plakasından geçtiğinde kırınım olgusunu keşfettiler (1927). Bunlardan bağımsız olarak, metal folyodan geçen elektronların kırınımı, İngiltere'de J.P. Thomson ve P.S. SSCB'de Tartakovski. Böylece de Broglie'nin maddenin dalga özelliklerine ilişkin fikri deneysel olarak doğrulandı. Daha sonra atomik ve moleküler ışınlarda kırınım ve dolayısıyla dalga özellikleri keşfedildi. Sadece fotonlar ve elektronlar değil, tüm mikropartiküller de parçacık-dalga özelliğine sahiptir.

Mikropartiküllerin dalga özelliklerinin keşfi, klasik fizik açısından niteliksel olarak farklı kabul edilen alan (sürekli) ve madde (ayrık) gibi madde formlarının belirli koşullar altında her iki formun doğasında bulunan özellikleri sergileyebileceğini gösterdi. Bu, bu madde biçimlerinin birliğinden söz eder. Özelliklerinin tam bir açıklaması yalnızca karşıt ancak tamamlayıcı fikirler temelinde mümkündür.

giriiş

Neredeyse aynı anda iki ışık teorisi öne sürüldü: Newton'un parçacık teorisi ve Huygens'in dalga teorisi.

Newton'un 17. yüzyılın sonlarında ortaya attığı parçacık teorisine veya dışarı akış teorisine göre, ışıklı cisimler her yöne doğru uçan ve göze girdiklerinde ışık hissine neden olan küçük parçacıklar (parçacıklar) yayarlar. .

Dalga teorisine göre, ışıklı bir cisim, tüm kozmik alanı dolduran özel bir ortamda (dünya eterinde) elastik titreşimlere neden olur ve bu titreşimler, havadaki ses dalgaları gibi eterde yayılır.

Newton ve Huygens'in zamanında çoğu bilim adamı, o zamanlar bilinen tüm ışık olaylarını oldukça tatmin edici bir şekilde açıklayan Newton'un parçacık teorisine bağlıydı. Işığın yansıması, elastik cisimlerin bir düzlemle çarpışması sonucu yansımasına benzer şekilde açıklandı. Işığın kırılması, daha yoğun bir ortamdan parçacıklar üzerindeki büyük çekici kuvvetlerin etkisiyle açıklandı. Newton'un teorisine göre, daha yoğun bir ortama yaklaşırken kendini gösteren bu kuvvetlerin etkisi altında, ışık parçacıkları bu ortamın sınırına dik olarak yönlendirilmiş bir ivme almış ve bunun sonucunda hareket yönünü değiştirmişlerdir. aynı zamanda hızlarını da artırdılar. Diğer ışık olayları da benzer şekilde açıklandı.

Daha sonra ortaya çıkan yeni gözlemler bu teorinin çerçevesine uymuyordu. Özellikle ışığın suda yayılma hızı ölçüldüğünde bu teorinin tutarsızlığı keşfedildi. Havadakinden daha fazla değil, daha az olduğu ortaya çıktı.

19. yüzyılın başında Huygens'in çağdaşları tarafından tanınmayan dalga teorisi, Young ve Fresnel tarafından geliştirilip geliştirildi ve evrensel kabul gördü. Geçen yüzyılın 60'lı yıllarında Maxwell elektromanyetik alan teorisini geliştirdikten sonra ışığın elektromanyetik dalgalar olduğu ortaya çıktı. Böylece ışığın dalga mekaniği teorisinin yerini dalga elektromanyetik teorisi aldı. Işık dalgaları (görünür spektrum) elektromanyetik dalga ölçeğinde 0,4-0,7 µm aralığını kaplar. Radyasyonu sürekli bir süreç olarak ele alan Maxwell'in ışığın dalga teorisi, yeni keşfedilen bazı optik olayları açıklayamadı. Bir ışık dalgasının enerjisinin sürekli olarak değil, yalnızca ışık dalgasının uzunluğuna bağlı olan belirli kısımlarda (ışık kuantumu veya fotonlar) yayıldığı, dağıtıldığı ve emildiği kuantum ışık teorisi ile desteklenmiştir. Dolayısıyla modern kavramlara göre ışık hem dalga hem de parçacık özelliklerine sahiptir.

Işık girişimi

Zamanla değişmeyen faz farkıyla uzayın her noktasında salınımlar yaratan dalgalara tutarlı denir. Bu durumda faz farkı sabittir, ancak genel olarak konuşursak, uzaydaki farklı noktalar için farklı bir değere sahiptir. Yalnızca aynı frekanstaki dalgaların tutarlı olabileceği açıktır.

Birkaç uyumlu dalga uzayda yayıldığında, bu dalgaların ürettiği salınımlar bazı noktalarda birbirini güçlendirirken bazı noktalarda zayıflatır. Bu olaya dalga girişimi denir. Herhangi bir fiziksel nitelikteki dalgalar müdahale edebilir. Işık dalgalarının girişimine bakacağız.

Tutarlı dalgaların kaynaklarına da tutarlı denir. Belirli bir yüzey birden fazla tutarlı ışık kaynağıyla aydınlatıldığında, genellikle bu yüzey üzerinde alternatif açık ve koyu şeritler görünür.

İki bağımsız ışık kaynağı, örneğin iki elektrik lambası tutarlı değildir. Yaydıkları ışık dalgaları, tek tek atomlar tarafından yayılan çok sayıda dalganın eklenmesinin sonucudur. Dalgaların atomlar tarafından yayılması rastgele meydana gelir ve bu nedenle iki kaynaktan yayılan dalgaların fazları arasında sabit bir ilişki yoktur.

Yüzey tutarsız kaynaklarla aydınlatıldığında, girişimin karakteristik özelliği olan alternatif açık ve koyu şeritlerin deseni görünmez. Her noktadaki aydınlatma, her bir kaynağın ayrı ayrı yarattığı aydınlatmanın toplamına eşit olur.

Tutarlı dalgalar, bir kaynaktan gelen bir ışık ışınının iki veya daha fazla ayrı ışına bölünmesiyle üretilir.

Değişken kalınlıktaki şeffaf bir plaka, özellikle kama şeklindeki bir plaka, monokromatik (tek renkli) ışınlarla aydınlatıldığında ışık girişimi gözlemlenebilir. Gözlemcinin gözü plakanın hem ön hem de arka yüzeyinden yansıyan dalgaları alacaktır. Girişimin sonucu, plakanın kalınlığına göre kademeli olarak değişen iki dalga arasındaki faz farkıyla belirlenir. Aydınlatma buna göre değişir: Eğer plakanın yüzeyinin belirli bir noktasında girişim yapan dalgaların yolu arasındaki fark çift sayıda yarım dalgaya eşitse, bu noktada faz farkı varsa yüzey hafif görünecektir; tek sayıda yarım dalga ise karanlık görünecektir.

Düzlem paralel bir plaka paralel bir ışınla aydınlatıldığında, ön ve arka yüzeylerinden yansıyan ışık dalgalarının faz farkı tüm noktalarda aynıdır; plaka eşit şekilde aydınlatılmış görünecektir.

Hafif dışbükey bir camın düz bir camla temas noktası çevresinde, tek renkli ışıkla aydınlatıldığında, Newton halkaları adı verilen koyu ve açık halkalar gözlenir. Burada, her iki cam arasındaki en ince hava tabakası, eşmerkezli daireler boyunca sabit bir kalınlığa sahip olan yansıtıcı bir film rolünü oynar.

Işığın kırınımı.

Bir ışık dalgası homojen bir ortamda yayılırken ön tarafın geometrik şeklini değiştirmez. Bununla birlikte, eğer ışık, örneğin opak ekranların, kırılma indisinde nispeten keskin bir değişime sahip uzay alanlarının, vb. bulunduğu homojen olmayan bir ortamda yayılırsa, o zaman dalga cephesinde bir bozulma gözlenir. Bu durumda uzayda ışık dalgasının yoğunluğunun yeniden dağılımı meydana gelir. Örneğin, gölgenin sınırında bir nokta ışık kaynağına sahip opak ekranları aydınlatırken, geometrik optik yasalarına göre gölgeden ışığa ani bir geçiş olması gereken yerde, bir dizi koyu ve açık şerit vardır. gözlendiğinde ışığın bir kısmı geometrik gölge bölgesine nüfuz eder. Bu olaylar ışığın kırınımıyla ilgilidir.

Yani dar anlamda ışığın kırınımı, ışığın opak cisimlerin konturları etrafında bükülmesi ve ışığın geometrik bir gölge bölgesine girmesi olgusudur; geniş anlamda, ışığın yayılmasında geometrik optik yasalarından herhangi bir sapma.

Sommerfeld'in tanımı: Işığın kırınımı, ışık ışınlarının sürekli değişen kırılma indisine sahip bir ortamda yansıması, kırılması veya bükülmesi sonucu açıklanamıyorsa, doğrusal yayılımdan herhangi bir sapma olarak anlaşılır.

Ortam çok küçük parçacıklar (sis) içeriyorsa veya kırılma indisi, dalga boyu düzeyindeki mesafelerde gözle görülür şekilde değişiyorsa, bu durumlarda ışık saçılımından bahsederiz ve "kırınım" terimi kullanılmaz.

İki tür ışık kırınımı vardır. Bir engelden sonlu uzaklıkta bulunan bir gözlem noktasındaki kırınım desenini inceleyerek Fresnel kırınımıyla ilgileniyoruz. Gözlem noktası ve ışık kaynağı engelden, engele gelen ışınlar ve gözlem noktasına giden ışınlar paralel ışınlar olarak kabul edilebilecek kadar uzakta bulunuyorsa, paralel ışınlarda kırınımdan - Fraunhofer kırınımından bahsederiz.

Kırınım teorisi, dalga yayılma yolunda herhangi bir engelin olduğu durumlarda dalga süreçlerini dikkate alır.

Kırınım teorisini kullanarak, akustik ekranlar kullanılarak gürültüden korunma, radyo dalgalarının Dünya yüzeyi üzerinde yayılması, optik aletlerin çalışması (mercek tarafından verilen görüntü her zaman bir kırınım deseni olduğundan), yüzey kalite ölçümleri gibi problemler, maddenin yapısının incelenmesi ve daha birçokları çözüldü.

Işığın polarizasyonu

Işığın dalga doğasını kanıtlamaya yarayan girişim ve kırınım olgusu henüz ışık dalgalarının doğasının tam bir resmini sunmuyor. Işığın kristallerden, özellikle de turmalinden geçmesi deneyimiyle yeni özellikler bize açıklanıyor.

Dikdörtgenin kenarlarından biri kristalin içinde optik eksen adı verilen belirli bir yöne denk gelecek şekilde kesilmiş iki özdeş dikdörtgen turmalin plakayı alalım. Eksenleri aynı yönde olacak şekilde bir plakayı diğerinin üzerine koyalım ve katlanmış plaka çiftinin içinden bir fenerden veya güneşten gelen dar bir ışık huzmesini geçirelim. Turmalin kahverengi-yeşil bir kristal olduğundan, iletilen ışının izi ekranda koyu yeşil bir benek olarak görünecektir. Plakalardan birini kirişin etrafında döndürmeye başlayalım, ikincisini hareketsiz bırakalım. Işının izinin zayıfladığını ve plaka 90 0 döndürüldüğünde tamamen kaybolduğunu göreceğiz. Plakanın daha fazla dönmesiyle, geçen ışın yeniden yoğunlaşmaya başlayacak ve plaka 180° döndüğünde önceki yoğunluğuna ulaşacaktır; plakaların optik eksenleri tekrar paralel olduğunda. Turmalinin daha fazla dönmesiyle ışın tekrar zayıflar.

Aşağıdaki sonuçların çıkarılması durumunda gözlemlenen tüm olaylar açıklanabilir.

1) Işındaki ışık titreşimleri, ışığın yayılma çizgisine dik olarak yönlendirilir (ışık dalgaları eninedir).

2) Turmalin, hafif titreşimleri ancak kendi eksenine göre belirli bir şekilde yönlendirildiklerinde iletebilir.

3) Bir fenerin (güneş) ışığında, herhangi bir yöndeki enine titreşimler sunulur ve üstelik aynı orandadır, böylece hiçbir yön baskın değildir.

Sonuç 3, doğal ışığın turmalinden neden herhangi bir yönde aynı ölçüde geçtiğini açıklamaktadır, ancak sonuç 2'ye göre turmalin, ışık titreşimlerini yalnızca belirli bir yönde iletebilmektedir. Doğal ışığın turmalinden geçişi, enine titreşimlerin yalnızca turmalin tarafından iletilebilenlerin seçilmesine neden olur. Bu nedenle, turmalinden geçen ışık, turmalin ekseninin yönelimiyle belirlenen, tek yönde bir dizi enine titreşim olacaktır. Böyle bir ışığa doğrusal olarak polarize diyeceğiz ve salınım yönünü ve ışık ışınının eksenini içeren düzlemi - polarizasyon düzlemi olarak adlandıracağız.

Artık ışığın art arda yerleştirilmiş iki turmalin plakadan geçmesiyle ilgili deney netleşiyor. İlk plaka, içinden geçen ışık ışınını polarize ederek onun yalnızca bir yönde salınmasına izin verir. Bu titreşimler, ancak yönleri ikinci turmalin tarafından iletilen titreşimlerin yönüyle çakışırsa, ikinci turmalinden tamamen geçebilir; ekseni birincinin eksenine paralel olduğunda. Polarize ışıktaki titreşimlerin yönü, ikinci turmalinin ilettiği titreşimlerin yönüne dik ise ışık tamamen gecikecektir. Polarize ışıktaki titreşimlerin yönü, turmalinin ilettiği yön ile dar bir açı oluşturuyorsa, o zaman titreşimler yalnızca kısmen iletilecektir.

Işık dağılımı

Newton, teleskopları geliştirme girişimleriyle bağlantılı olarak ışığın kırılması sırasında gözlemlenen renkleri incelemeye yöneldi. Mümkün olan en kaliteli lensleri elde etme çabası içinde Newton, görüntülerin ana dezavantajının renkli kenarların varlığı olduğuna ikna oldu. Newton en büyük optik keşiflerini kırılma sırasındaki renklenme çalışmasıyla yaptı.

Newton'un keşiflerinin özü aşağıdaki deneylerle gösterilmektedir (Şekil 1): Bir fenerden gelen ışık dar bir S deliğini (yarık) aydınlatır. Bir mercek L kullanılarak, yarığın görüntüsü MN ekranında kısa beyaz bir dikdörtgen S' şeklinde elde edilir. Yolun üzerine, kenarı yarığa paralel olan bir P prizması yerleştirerek, yarığın görüntüsünün kayarak renkli bir şerite dönüşeceğini, kırmızıdan mora renk geçişlerinin gözlemlenenlere benzer olduğunu buluyoruz. gökkuşağında. Newton bu gökkuşağı görüntüsüne spektrum adını verdi.

Boşluğu renkli camla kapatırsanız; prizmaya beyaz ışık yerine renkli ışık yönlendirirseniz, yarığın görüntüsü spektrumda karşılık gelen yerde bulunan renkli bir dikdörtgene indirgenecektir; Renge bağlı olarak ışık, orijinal S` görüntüsünden farklı açılarda sapacaktır. Açıklanan gözlemler, farklı renkteki ışınların bir prizma tarafından farklı şekilde kırıldığını göstermektedir.

Newton bu önemli sonucu birçok deneyle doğruladı. Bunlardan en önemlisi spektrumdan izole edilen farklı renkteki ışınların kırılma indisini belirlemekti. Bu amaçla MN ekranında spektrumun elde edildiği bir delik açıldı; Ekranı hareket ettirerek, delikten şu veya bu renkteki dar bir ışın ışınını serbest bırakmak mümkündü. Tekdüze ışınları izole etmeye yönelik bu yöntem, renkli cam kullanılarak yapılan izolasyondan daha ileri düzeydedir. Deneyler, ikinci bir prizmada kırılan böyle ayrılmış bir ışının artık şeridi uzatmadığını keşfetti. Böyle bir ışın, değeri seçilen ışının rengine bağlı olan belirli bir kırılma indeksine karşılık gelir.

Açıklanan deneyler, spektrumdan izole edilmiş dar renkli bir ışın için kırılma indisinin çok kesin bir değere sahip olduğunu, beyaz ışığın kırılmasının ise bu indeksin yalnızca bir değeriyle yaklaşık olarak karakterize edilebileceğini göstermektedir. Benzer gözlemleri karşılaştıran Newton, bir prizmadan geçerken ayrışmayan basit renklerin ve farklı kırılma indislerine sahip bir dizi basit rengi temsil eden karmaşık renklerin olduğu sonucuna vardı. Özellikle güneş ışığı, bir prizma yardımıyla ayrıştırılan ve yarığın spektral görüntüsünü veren renklerin birleşimidir.

Böylece Newton'un ana deneyleri iki önemli keşif içeriyordu:

1) Farklı renkteki ışık, belirli bir maddedeki (dağılım) farklı kırılma indisleriyle karakterize edilir.

2) Beyaz renk basit renklerin bir koleksiyonudur.

Artık farklı renklerin ışığın farklı dalga boylarına karşılık geldiğini biliyoruz. Dolayısıyla Newton'un ilk keşfi şu şekilde formüle edilebilir:

Bir maddenin kırılma indisi ışığın dalga boyuna bağlıdır.

Genellikle dalga boyu azaldıkça artar.

Planck'ın hipotezi

Alman fizikçi Max Planck, 1900 yılında, ısıtılan bir katının ışınımını açıklamada klasik teorinin zorluklarını aşma çabası içindeydi. teorik fizikte gerçek bir evrimin başlangıcına işaret eden bir hipotezi ifade etti. Bu hipotezin anlamı, elektromanyetik radyasyonla dengede olan bir salınım sisteminin enerji rezervinin herhangi bir değer alamayacağıdır. Elektromanyetik dalgaları emen ve yayan temel sistemlerin enerjisi mutlaka belirli bir enerji miktarının tamsayı katına eşit olmalıdır.

Bir sistemin emebileceği veya yayabileceği minimum enerji miktarına enerji kuantumu denir. Kuantum E'nin enerjisi salınım frekansı v ile orantılı olmalıdır:

e= hv .

Orantılılık faktörü H bu ifadeye Planck sabiti denir. Planck sabiti

6,6261937 . 10 -34 J . İle

Planck sabitine bazen eylemin kuantumu denir. H boyutunun açısal momentum boyutuyla çakıştığına dikkat edin.

Bu yeni fikre dayanarak Planck, deneysel verilerle oldukça uyumlu olan spektrumdaki enerji dağılımı yasasını elde etti. Teorik olarak öngörülen yasanın deneyle iyi uyumu, Planck'ın kuantum hipotezinin tam olarak doğrulanmasıydı.

Fotoelektrik etkinin keşfi

Planck'ın kuantum hipotezi, 1887'de keşfedilen fotoelektrik etki olgusunu açıklamanın temelini oluşturdu. Alman fizikçi Heinrich Hertz.

Fotoelektrik etki olgusu, bir elektrometrenin çubuğuna bağlı bir çinko plakanın aydınlatılmasıyla tespit edilir. Plakaya ve çubuğa pozitif bir yük aktarılırsa, plaka aydınlatıldığında elektrometre deşarj olmaz. Plakaya negatif bir elektrik yükü vererek elektrometre, ultraviyole radyasyon plakaya çarptığı anda deşarj olur. Bu deney, ışığın etkisi altında metal bir plakanın yüzeyinden negatif elektrik yüklerinin salınabileceğini kanıtlıyor. Işığın fırlattığı parçacıkların yükünün ve kütlesinin ölçülmesi, bu parçacıkların elektron olduğunu gösterdi.

Birkaç tür fotoğraf efekti vardır: harici ve dahili fotoğraf efektleri, valf fotoğraf efektleri ve bir dizi başka efekt.

Dış fotoelektrik etki, üzerine gelen ışığın etkisi altında bir maddeden elektronların çıkması olgusudur.

İç fotoelektrik etki, yarı iletken üzerine düşen ışığın enerjisi nedeniyle atomlar arasındaki bağların kopması sonucu yarı iletkende serbest elektronların ve deliklerin ortaya çıkmasıdır.

Kapı fotoelektrik etkisi, iki farklı yarı iletken veya bir yarı iletken ile bir metal arasındaki teması içeren bir sistemde, bir elektromotor kuvvetinin ışığının etkisi altında meydana gelmesidir.

Fotoelektrik etkinin yasaları

Fotoelektrik etkinin niceliksel yasaları, 1888 - 1889'da seçkin Rus fizikçi Alexander Grigorievich Stoletov (1839 - 1896) tarafından oluşturuldu. İki elektrotlu bir vakumlu cam balon kullanarak (Şekil 2), balondaki akımın elektrotlar arasındaki voltaja ve elektrotun aydınlatma koşullarına bağımlılığını inceledi.

Bir vakum silindirinde voltajın uygulandığı iki metal elektrot A ve K vardır. Elektrotların polaritesi ve onlara uygulanan voltaj, orta uçlu potansiyometre R kullanılarak değiştirilebilir. Potansiyometre kaydırıcısı orta noktanın solunda olduğunda, A elektrotuna eksi, K elektrotuna ise artı uygulanır. Elektrotlar arasına uygulanan voltaj bir voltmetre V ile ölçülür. Elektrot K, kuvars camla kaplı bir pencereden ışıkla ışınlanır. Etkisi altında, elektronlar (fotoelektronlar olarak adlandırılır) bu elektrottan çekilir, bunlar elektrot A'ya uçar ve miliammetre mA tarafından kaydedilen bir fotoakım oluşturur.

Anlatılan kurulumda, aydınlatılan her bir parça için farklı metallerden yapılmış elektrotlar kullanılıyor.

maddeler, harici fotoelektrik etkinin akım-voltaj özelliklerini (yani, fotoakım kuvvetinin I'in elektrotlar arasındaki U voltajına bağımlılığı) olay ışık enerjisi akısının farklı değerlerinde elde etmek mümkündür.

Bu tür iki özellik (Şekil 3)'de sunulmaktadır.

Harici fotoelektrik etkinin aşağıdaki kalıpları ve yasaları deneysel olarak oluşturulmuştur.

1. Elektrotlar arasında voltaj olmadığında fotoakım sıfır değildir. Bu, fotoelektronların ayrılırken kinetik enerjiye sahip olduğu anlamına gelir.

2. U arttıkça fotoakım I yavaş yavaş artar çünkü artan sayıda fotoelektron anoda ulaşır.

3. Elektrotlar arasında belirli bir hızlanma voltajına U n ulaşıldığında, katottan çıkan tüm elektronlar anoda ulaşır ve foto akımın gücü voltaja bağlı olmayı bırakır. Artan voltajla gücü artmayan böyle bir fotoakıma doyma fotoakımı denir. Birim zamanda aydınlatılan metalden yayılan fotoelektronların sayısı n e ise, doyma fotoakımının gücü

BEN N = D Q / D T = Hayır / D T = hayır

Dolayısıyla doyma akımının şiddeti ölçülerek bir saniyede yayılan fotoelektronların sayısı belirlenebilir.

4. Doygunluk fotoakımının gücü, metal üzerine gelen ışık enerjisinin akışıyla doğru orantılıdır (fotoelektrik etkinin birinci yasası):

BEN N = G F

Burada g, maddenin ışığa duyarlılığı adı verilen orantı katsayısıdır. Sonuç olarak bir maddeden bir saniyede çıkan elektron sayısı, o maddenin üzerine gelen ışık enerjisinin akışıyla doğru orantılıdır.

5. Başlangıçtaki kinetik enerjiden dolayı elektronlar, geciktirici elektrik alan kuvvetlerine karşı iş yapabilirler. Bu nedenle, fotoakım 0'dan U3'e kadar negatif voltajlar bölgesinde de mevcuttur (elektrot A, akım kaynağının "eksi" ucuna bağlanır). Belirli bir gecikme voltajı U3'ten başlayarak fotoakım durur. Bu durumda, geciktirici elektrik alanının çalışması A e = eU3 , fotoelektronların W km maksimum başlangıç kinetik enerjisine eşittir. =mvm2/2:

bir e = W km. ; e sen 3 = mv M 2 /2

V M = 2e sen 3 / M

Böylece, U3 geciktirme voltajını ölçerek, maksimum başlangıç kinetik enerjisini ve fotoelektronların maksimum başlangıç hızını belirlemek mümkündür.

6. Geciktirme voltajının değeri ve dolayısıyla fotoelektronların maksimum kinetik enerjisi ve maksimum hızı, gelen ışığın yoğunluğuna bağlı değildir, ancak frekansına bağlıdır (fotoelektrik etkinin ikinci yasası).

7. Her maddenin belli bir frekans değeri vardır v k (ve dolayısıyla dalga boyu l k), öyle ki frekanslarda v daha küçük olanların olay ışığı v k (yani, l k'den büyük ışık dalga boyları), fotoelektrik etki gözlemlenmez (fotoelektrik etkinin üçüncü yasası). Sıklık v k (ve dalga boyu l k) fotoelektrik etkinin kırmızı sınırı olarak adlandırılır. Örneğin bir çinko levha çok yüksek yoğunlukta bile görünür ışıkla ışınlandığında fotoelektrik etki oluşmazken, ultraviyole ışıkla çok düşük yoğunlukta bile ışınlandığında fotoelektrik etki gözlemlenir.

8. Metalin ışıkla ışınlanmasının başlangıcından fotoelektron emisyonunun başlangıcına kadar zaman geçer<10 -9 с. Следовательно, фотоэффект безынерционен. Если частота падающего света v > v k, o zaman fotoelektronların emisyonu neredeyse anında gerçekleşir. Eğer v < v Bu nedenle metal ne kadar aydınlatılırsa aydınlatılsın fotoelektrik etki görülmez.

Fotonlar

Göreli fizikte (görelilik teorisi), m kütlesinin ve W enerjisinin birbiriyle ilişkili olduğu gösterilmiştir:

W = mc 2

Bu nedenle enerji kuantumu Wф=h v elektromanyetik radyasyon kütleye karşılık gelir

M F = W F / C 2 = H v / C 2

Elektromanyetik radyasyon ve dolayısıyla foton, yalnızca belirli bir hızda yayıldığında var olur. İle. Bu, fotonun geri kalan kütlesinin sıfır olduğu anlamına gelir.

mf kütlesine sahip ve hızla hareket eden foton İle, momentumu var

P F = M F C = H v / C

Fotonun ayrıca kendi açısal momentumu vardır. döndürmek .

L f= H /2 p= H

Enerjisi, kütlesi, momentumu veya açısal momentumu olan bir nesne büyük olasılıkla bir parçacıkla ilişkilidir. Bu nedenle, elektromanyetik radyasyonun enerji kuantumu - bir foton - elektromanyetik radyasyonun, özellikle de ışığın bir parçacığı gibidir.

Elektromanyetik radyasyonun bir foton koleksiyonu olduğu gerçeğinden, bir parçacığın elektromanyetik alanının, parçacığın kendisi tarafından yayılan ve emilen fotonların bir koleksiyonu olduğu sonucu çıkar.

Klasik fizik çerçevesinde, serbest bir parçacık tarafından bir etkileşim taşıyıcısının emisyonu, enerji ve momentumun korunumu yasaları tarafından yasaklanmıştır. Kuantum fiziği, enerji ve zamanın belirsizlikleri arasındaki ilişkiyi kullanarak bu yasağı ortadan kaldırır. Üstelik bu, etkileşim taşıyıcısının kütlesi ile etki aralığı arasında bir bağlantı kurar.

Enerjinin korunumu yasasını ihlal ediyormuş gibi ilerleyen bu tür süreçlere genellikle sanal süreçler denir ve etkileşime giren ve serbest parçacıklarda olduğu gibi enerji ve momentum ilişkisine sahip olamayan parçacıklara sanal parçacıklar denir. Etkileşime dahil olan sanal değişim parçacıkları tespit edilemez. Ancak yayan parçacığın enerjisini artırarak, örneğin elektronları hızlandırarak sanal fotonlar, kaydedilebilecek gerçek, serbest fotonlara dönüştürülebilir. Bu gerçek fotonların yayılma sürecidir.

Elektromanyetik alanın bu temsili, elektrik yüklü parçacıkların bir elektromanyetik alan yoluyla etkileşimi kavramının revizyonuna yol açmaktadır. Bir parçacıktan başka bir yüklü parçacık varsa, o zaman bir parçacık tarafından yayılan bir foton diğeri tarafından emilebilir veya bunun tersi de foton değişimiyle sonuçlanır; Parçacıklar etkileşime girmeye başlayacak. Böylece parçacıkların elektromanyetik etkileşimi foton alışverişi yoluyla gerçekleşir. Bu etkileşim mekanizmasına denir değişme ve tüm etkileşimler için geçerlidir. Herhangi bir alan, etkileşime giren bir parçacık tarafından yayılan bir dizi kuantum etkileşim taşıyıcısıdır ve herhangi bir etkileşim, etkileşim taşıyıcılarının değişimidir.

Sonuç olarak, fotonun temel parçacıklar grubundan parçacıklardan biri olduğuna dikkat çekiyoruz.

Fotoelektrik etkinin yasalarını ışığın dalga kavramları temelinde açıklamanın imkansızlığı.

Dış fotoelektrik etkinin yasalarını ışığın dalga kavramları temelinde açıklamaya yönelik girişimlerde bulunulmuştur. Bu fikirlere göre fotoelektrik etki mekanizması şuna benzer. Metalin üzerine bir ışık dalgası düşüyor. Yüzey katmanında bulunan elektronlar bu dalganın enerjisini emer ve enerjileri giderek artar. İş fonksiyonundan büyük olduğunda elektronlar metalden dışarı fırlamaya başlar. Böylece, ışığın dalga teorisinin, fotoelektrik etki olgusunu niteliksel olarak açıklayabileceği varsayılmaktadır.

Ancak hesaplamalar, bu açıklamayla metalin aydınlanmaya başlaması ile elektron emisyonunun başlaması arasındaki sürenin on saniye civarında olması gerektiğini gösterdi. Bu arada, deneyimlerden şu sonuç çıkıyor:<10 -9 c. Следовательно, волновая теория света не объясняет безынерционности фотоэффекта. Не может она объяснить и остальные законы фотоэффекта.

Dalga teorisine göre, metal üzerine düşen ışığın şiddeti arttıkça fotoelektronların kinetik enerjisi de artmalıdır. Ve dalganın yoğunluğu, ışığın frekansı tarafından değil, voltaj dalgalanmalarının büyüklüğü E tarafından belirlenir. (Yalnızca devre dışı bırakılan elektronların sayısı ve doyma akımının gücü gelen ışığın yoğunluğuna bağlıdır.)

Dalga teorisinden, bir metalden elektronları koparmak için gerekli enerjinin, yoğunluğu yeterince yüksekse herhangi bir dalga boyundaki radyasyonla sağlanabileceği sonucu çıkar. Fotoelektrik etkinin herhangi bir ışık radyasyonundan kaynaklanabileceği. Ancak fotoelektrik etkinin kırmızı bir sınırı vardır. Elektronların aldığı enerji dalganın genliğine değil frekansına bağlıdır.

Böylece, fotoelektrik etkinin yasalarını ışığın dalga kavramları temelinde açıklama girişimlerinin savunulamaz olduğu ortaya çıktı.

Işığın kuantum kavramlarına dayalı olarak fotoelektrik etki yasalarının açıklanması. Einstein'ın fotoelektrik etki denklemi.

Fotoelektrik etkinin yasalarını açıklamak için A. Einstein, Planck'ın cisimlerin termal radyasyonunu tanımlamak için tanıttığı kuantum ışık kavramlarını kullandı.

Tamamen siyah bir cisimden gelen radyasyonun enerjisindeki dalgalanmaları analiz eden Einstein, radyasyonun sanki her biri hv büyüklüğünde N=W/(hv) bağımsız enerji kuantumlarından oluşuyormuş gibi davrandığı sonucuna vardı. Einstein'a göre herhangi bir noktadan çıkan ışığın yayılması sırasında enerji, giderek genişleyen bir uzaya sürekli olarak dağılmamaktadır. Enerji, uzayda lokalize olan sonlu sayıda enerji kuantumundan oluşur. Bu kuantumlar parçalara bölünmeden hareket eder; yalnızca bir bütün olarak emilebilir ve yayılabilirler.

Böylece Einstein, ışığın yalnızca yayılmadığı, aynı zamanda uzayda yayıldığı ve madde tarafından kuantum biçiminde emildiği sonucuna vardı. Işık radyasyonunun - ışık kuantumu - parçacık özelliklerine sahip kısımları, yani. elektromanyetik alanın özelliklerinin taşıyıcıları olan parçacıkların özellikleri. Bu parçacıklara foton denir.

Işığın kuantum kavramları açısından bakıldığında, bir metale gelen monokromatik radyasyonun enerjisi, enerjili fotonlardan oluşur.

W F = H v

W St. = Kuzeybatı F = Hayır v

ve ışık enerjisi akışı eşittir

Ф= W St. / T = Hayır v / T = N F H v

burada N, t süresi boyunca metale gelen fotonların sayısıdır; n f – birim zamanda metale gelen fotonların sayısı.

Radyasyonun madde ile etkileşimi, her birinde bir elektronun bir fotonun enerjisini tamamen emdiği çok sayıda temel eylemden oluşur. Foton enerjisi iş fonksiyonundan büyük veya ona eşitse elektronlar metalden dışarı fırlar. Bu durumda, emilen fotonun enerjisinin bir kısmı, A iş fonksiyonunun yerine getirilmesi için harcanır, geri kalanı ise fotoelektronun kinetik enerjisini oluşturur. Bu yüzden

W F =A'da + W İle ; H v =A'da + mv 2 /2.

Bu ifadeye Einstein'ın fotoelektrik etki denklemi denir.

Fotoelektronların kinetik enerjisinin gelen ışığın frekansına bağlı olduğunu gösterir (fotoelektrik etkinin ikinci yasası).

Kuantumun enerjisi iş fonksiyonundan küçükse, herhangi bir ışık yoğunluğunda elektron yayınlanmaz. Bu, fotoelektrik etkinin kırmızı sınırının (fotoelektrik etkinin üçüncü yasası) varlığını açıklar.

Şimdi fotoelektrik etkinin birinci yasasının ışığın kuantum kavramları temelinde nasıl açıklandığını gösterelim.

Fotoelektrik etki nedeniyle açığa çıkan elektronların sayısı, yüzeye gelen ışık kuantumunun sayısıyla orantılı olmalıdır;

N e ~ N F ; N e = biliyorum F ,

burada k, gelen fotonların hangi kısmının metalden elektronları dışarı çıkardığını gösteren bir katsayıdır. (Kuantumun yalnızca küçük bir kısmının enerjisini fotoelektronlara aktardığına dikkat edin. Geriye kalan kuantumun enerjisi, ışığı soğuran maddenin ısıtılması için harcanır). Foton sayısı nf, gelen ışığın enerji akışını belirler.

Böylece ışığın kuantum teorisi, dış fotoelektrik etkinin tüm yasalarını tamamen açıklar. Böylece ışığın dalga özelliklerine ek olarak parçacık özelliklerine de sahip olduğu deneysel olarak tartışmasız bir şekilde doğrulanmıştır.

Işığın parçacık-dalga doğası

Geleneksel ışık kaynaklarından gelen ışığın girişimi, kırınımı ve polarizasyonu olgusu, ışığın dalga özelliklerini reddedilemez bir şekilde gösterir. Ancak bu olaylarda bile uygun koşullar altında ışık parçacık özellikleri sergiler. Buna karşılık, cisimlerin termal radyasyon yasaları, fotoelektrik etki ve diğerleri tartışmasız bir şekilde ışığın sürekli, geniş bir dalga olarak değil, enerjinin "kümelerinin" (bölümleri, kuantum) akışı olarak davrandığını gösterir; bir parçacık akışı gibi - fotonlar. Ancak bu fenomenlerde ışığın dalga özellikleri de vardır; bunlar bu fenomenler için kesinlikle önemli değildir.

Şu soru ortaya çıkıyor: Işık, bir kaynak tarafından yayılan sürekli bir elektromanyetik dalga mıdır, yoksa bir kaynak tarafından yayılan ayrık fotonlardan oluşan bir akış mıdır? Işığa bir yandan kuantum, parçacık özellikleri, diğer yandan dalga özellikleri atfetme ihtiyacı, ışığın özellikleri hakkındaki bilgimizin kusurlu olduğu izlenimini yaratabilir. Deneysel gerçekleri açıklarken farklı ve görünüşte birbirini dışlayan kavramları kullanma ihtiyacı yapay görünüyor. Optik olayların tüm çeşitliliğinin, ışığın özelliklerine ilişkin iki bakış açısından biriyle açıklanabileceğini düşünmek isterim.

Yüzyılımızın fiziğinin en önemli başarılarından biri, ışığın dalga ve kuantum özelliklerini birbiriyle karşılaştırma girişimlerinin yanlış olduğuna kademeli olarak inanılmasıdır. Bir ışık dalgasının elektromanyetik alanının süreklilik karakteristiğinin özellikleri, ışık kuantum - fotonlarının ayrıklık karakteristiğinin özelliklerini dışlamaz. Işık aynı anda sürekli elektromanyetik dalgaların özelliklerine ve ayrık fotonların özelliklerine sahiptir. Bu karşıt özelliklerin diyalektik birliğini temsil eder. Elektromanyetik radyasyon (ışık), uzayda yayılması ve dağılımı elektromanyetik dalga denklemleriyle tanımlanan bir foton akışıdır. Bu nedenle ışık parçacık-dalga yapısına sahiptir.

Işığın parçacık dalga yapısı formülde yansıtılmaktadır.

p f = H v / C = H / ben

Bir fotonun parçacık karakteristiğini (impuls) ışığın dalga karakteristiğiyle frekans (veya dalga boyu) ile birleştirmek.

Ancak ışığın tanecikli dalga doğası, klasik temsilinde ışığın hem parçacık hem de dalga olduğu anlamına gelmez.

Işığın parçacık ve dalga özellikleri arasındaki ilişki, fotonların uzaydaki dağılımını ve yayılmasını dikkate alan istatistiksel (olası) bir yaklaşım kullanılarak basit bir yorum bulur.

1) Işığın örneğin yuvarlak bir delikten kırıldığını düşünün.

Eğer tek bir foton delikten geçirilirse, dalga açısından beklendiği gibi ekranda değişen açık ve koyu şeritler olmayacaktır; foton, dalga kavramlarına göre olması gerektiği gibi ekranın bir noktasına veya başka bir noktasına çarpar ve ekran boyunca yayılmaz. Ancak aynı zamanda bir fotonu parçacık olarak ele alıp tam olarak hangi noktaya çarptığını hesaplamak imkansızdır ki bu, foton klasik bir parçacık olsaydı yapılabilirdi.

Bir delikten art arda N sayıda foton geçirilirse farklı fotonlar ekranın farklı noktalarına çarpabilir. Ancak dalga kavramlarına göre açık şeritlerin olması gereken yerlere fotonlar daha sık düşecektir.

Eğer N sayıda foton delikten aynı anda geçerse, uzaydaki ve ekrandaki her noktada, birer birer geçerken olduğu kadar çok sayıda foton olur. Ancak bu durumda karşılık gelen sayıda foton ekranın her noktasına aynı anda çarpar ve eğer N büyükse dalga kavramları açısından beklenen kırınım modeli ekranda gözlemlenecektir.

Örneğin, karanlık girişim saçakları için salınımın kare genliği ve çarpan fotonların olasılık yoğunluğu minimumdur ve açık saçaklar için kare genlik ve olasılık yoğunluğu maksimumdur.

Dolayısıyla, ışık çok fazla sayıda foton içeriyorsa, kırınım altında, ayrı, bulanık olmayan fotonlardan oluşmasına rağmen sürekli bir dalga olarak düşünülebilir.

2) Dış fotoelektrik etki olgusunda, her fotonun yalnızca bir elektronla çarpışması (parçacıklı bir parçacık gibi) ve hangi fotonun değil, parçalara bölünmeden bir bütün olarak onun tarafından emilmesi önemlidir. hangi serbest elektrona çarpar (bu, dalga özelliklerine göre belirlenir) ve onu yere serer. Bu nedenle fotoelektrik etkiyle ışık bir parçacık akışı olarak düşünülebilir.

Elektromanyetik radyasyonun parçacık dalga yapısı özellikle ışık için oluşturulmuştur, çünkü günlük yaşamda uğraştığımız sıradan güneş ışığı bir yandan çok sayıda fotonun akışını temsil eder ve açıkça dalga özellikleri sergiler, diğer yandan da Işık fotonları, parçacık özelliklerinin belirleyici bir rol oynadığı fotoiyonizasyon, fotolüminesans, fotosentez, fotoelektrik etki gibi etkileri gerçekleştirmek için yeterli enerjiye sahiptir. Örneğin radyo dalgalarına karşılık gelen fotonlar düşük enerjiye sahiptir ve bireysel fotonların gözle görülür etkileri yoktur ve kaydedilen radyo dalgaları çok sayıda foton içermeli ve daha çok dalga gibi davranmalıdır. G- Çekirdeklerin radyoaktif bozunmalarından ve nükleer reaksiyonlardan kaynaklanan ışınlar yüksek enerjiye sahiptir, eylemleri kolayca kaydedilir, ancak nükleer reaktörlerde çok sayıda fotonun akışı özel koşullar altında elde edilir. Bu nedenle g-ışınları genellikle kendilerini dalgalar yerine parçacıklar olarak gösterirler.

Dolayısıyla ışık, enerjisinin, momentumunun, kütlesinin ve dönüşünün fotonlarda lokalize olması ve uzayda yayılmaması anlamında parçacıktır; ancak bir fotonun uzayda kesin olarak tanımlanmış belirli bir konuma yerleştirilebilmesi anlamında değildir. Işık, fotonların uzaydaki yayılımı ve dağılımının olasılıksal olması anlamında bir dalga gibi davranır: Bir fotonun belirli bir noktada olma olasılığı, o noktadaki genliğin karesi ile belirlenir. Ancak fotonların uzaydaki dağılımının olasılıksal (dalga) doğası, fotonun zamanın her anında herhangi bir noktada yer aldığı anlamına gelmez.

Böylece ışık, dalgaların sürekliliği ile parçacıkların ayrıklığını birleştirir. Fotonların yalnızca hareket halindeyken (c hızında) var olduğunu hesaba katarsak, ışığın aynı anda hem dalga hem de parçacık özelliklerine sahip olduğu sonucuna varırız. Ancak bazı olaylarda, belirli koşullar altında, ya dalga ya da parçacık özellikleri ana rolü oynar ve ışık ya bir dalga ya da parçacık (parçacık) olarak düşünülebilir.

Işık girişiminin pratik uygulaması

Malzemelerin tahribatsız muayenesinde holografinin uygulanması.

Holografik kurulumun tipik bir optik diyagramı (Şekil 4)'te gösterilmektedir. Lazer 1, bir ışın ayırıcı plaka 2 kullanılarak ikiye bölünen, ışın A ve nesne dalgası bir sistem aracılığıyla yönlendirilen tek renkli bir ışık ışınını yayar. Aynaların (3 ve 7) ve merceklerin (4 ve 8) nesneye (5) uygulanması, ondan yansır ve fotoğraf plakasına (6) çarparak referans dalgası B'ye müdahale eder. Kurulumun tüm elemanları, sırasında çok küçük hareketleri bile önlemek için tek bir sert yüzey üzerine monte edilmiştir. hologramın çekimi. Holografik interferometri yöntemi, bir nesneden iki hologramın bir fotoğraf plakasına sırayla kaydedilmesinden oluşur, ancak kayıtlar arasındaki aralıkta nesne bir tür etkiye (mekanik deformasyon, ısınma vb.) maruz kalır. Sonuç olarak, çarpmadan önce ve sonra yansıyan nesne dalgalarının optik yol uzunlukları farklı olduğu ortaya çıkar, ek bir yol farkı ortaya çıkar ve buna bağlı olarak her iki dalgada da belirli bir faz kayması ortaya çıkar.

Böyle bir hologramı okurken her iki nesne dalgası da yeniden üretilir ve girişim yapar. Nesnenin deformasyonu küçükse (l dalga boyuyla karşılaştırılabilir), o zaman nesnenin görüntüsü net olacaktır, ancak genişliği ve şekli nesnenin deformasyonunu niceliksel olarak tanımlamayı mümkün kılan girişim saçaklarıyla kaplanacaktır; Çünkü saçakların yüzeyin her noktasındaki görünümü optik yol uzunluğundaki değişiklikle orantılıdır.

Holografik interferometri ayrıca, yükleme altındaki bir nesnenin yüzeyinde anormal deformasyona yol açan kusurların (çatlaklar, boşluklar, malzeme özelliklerinin homojen olmaması vb.) tespit edilmesi için de kullanılır. Deformasyonlar, hatalı numune olmadan ortaya çıkan desenle karşılaştırıldığında girişim desenindeki değişikliklerle tespit edilir.

Holografik girişim tahribatsız muayenede çeşitli yükleme yöntemleri kullanılır. Örneğin, mekanik yükleme altında, hem malzemenin yüzeyinde hem de çevresinde birkaç milimetre uzunluğunda mikro çatlaklar tespit edilir ve lokalize edilir. Bu tür çalışmalar özellikle betondaki çatlakların tespit edilmesi ve büyümelerinin izlenmesi amacıyla yapılmaktadır.

Holografik interferometri, içi boş yapılardaki bağlantıların kalitesini incelemek için kullanılır, ardından basınç yüklemesi ve vakum yüklemesi kullanılır. Arızalı alanlardaki deformasyon ve dolayısıyla girişim desenleri, yapının diğer alanlarındaki deformasyondan farklıdır.

Termal yükleme sıklıkla kullanılır. Bu yöntem, yüzey sıcaklığı değiştiğinde meydana gelen yüzey deformasyonlarının incelenmesine dayanmaktadır. Kusur bölgesinde sıcaklık alanı bozulur, bu da deformasyonda yerel bir değişikliğe ve dolayısıyla girişim deseninin bozulmasına yol açar. Holografik interferometrinin yüksek hassasiyeti nedeniyle, nesnenin sıcaklığı ortam sıcaklığına göre yalnızca birkaç derece değiştiğinde kaydedilen deformasyonlar ortaya çıkar.

Fotoelektrik etkinin uygulanması

Fotoelektrik etkiyi kullanarak çalışan en basit cihaz, vakum fotoselidir. Bir vakum fotoseli, iki elektrik kablosuyla donatılmış bir cam ampulden oluşur. Şişenin iç yüzeyi kısmen ince bir metal tabaka ile kaplanmıştır. Bu kaplama fotoselin katodu görevi görür. Anot silindirin merkezinde bulunur. Katot ve anot terminalleri sabit bir voltaj kaynağına bağlanır. Katot aydınlatıldığında yüzeyinden elektronlar salınır. Bu sürece dış fotoelektrik etki denir. Elektronlar elektrik alanın etkisi altında anoda doğru hareket ederler. Fotosel devresinde bir elektrik akımı ortaya çıkar; akımın gücü, ışık radyasyonunun gücüyle orantılıdır. Böylece fotosel, ışık radyasyonunun enerjisini elektrik akımı enerjisine dönüştürür.

Yarı iletken fotoseller ayrıca ışık radyasyonunun enerjisini elektrik akımı enerjisine dönüştürmek için de kullanılır.

Yarı iletken eleman aşağıdaki yapıya sahiptir. Düz bir silikon kristalinde veya diğer delik iletken yarı iletkende ince bir elektronik iletken yarı iletken katman oluşturulur. Bu katmanlar arasındaki arayüzde bir p-n bağlantısı meydana gelir. Yarı iletken bir kristal aydınlatıldığında, ışığın emilmesi sonucunda elektronların ve deliklerin enerji dağılımı değişir. Bu sürece iç fotoelektrik etki denir. İç fotoelektrik etkinin bir sonucu olarak yarı iletkendeki serbest elektron ve deliklerin sayısı artar ve bunlar p-n eklem sınırında ayrılır.

Yarı iletken bir fotoselin zıt katmanları bir iletken ile bağlandığında devrede bir elektrik akımı ortaya çıkar; Devredeki akımın gücü, fotosele gelen ışık akısının gücüyle orantılıdır.

Elektromanyetik rölenin sargısıyla fotoselin seri olarak açılması, ışık fotosele çarptığında aktüatörlerin otomatik olarak açılıp kapanmasını sağlar. Fotoseller sinemada filme kaydedilen sesi film müziği olarak yeniden üretmek için kullanılır.

Yarı iletken fotoseller, güneş ışınımı enerjisinin elektrik enerjisine dönüştürüldüğü yapay Dünya uydularında, gezegenler arası otomatik istasyonlarda ve enerji santralleri olarak yörünge istasyonlarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Modern yarı iletken fotovoltaik jeneratörlerin verimliliği %20'yi aşmaktadır.

Yarı iletken fotoseller günlük yaşamda giderek daha fazla kullanılmaktadır. Saatlerde ve mikro hesap makinelerinde yenilenemeyen akım kaynakları olarak kullanılırlar.

Giriş 3

Girişim 4

Kırınım 5

Polarizasyon 6

Varyans 8

Planck'ın hipotezi 9

Fotoğraf Efektinin Keşfi 10

Fotoelektrik etkinin yasaları 11

Fotonlar 14

Fotoelektrik etkiyi ışığın dalga kavramlarına dayanarak açıklamanın imkansızlığı 15

Işığın kuantum kavramlarına dayalı olarak fotoelektrik etki yasalarının açıklanması. Einstein'ın fotoelektrik etki denklemi 16

Parçacık – ışığın dalga doğası 18

Işık girişiminin pratik uygulaması 21

Fotoelektrik etkinin uygulanması 23

Referanslar 25

Moskova Devlet Su Taşımacılığı Akademisi

Fizik ve Kimya Bölümü

Modern doğa bilimi kavramının özeti (fizikte)

konuyla ilgili:

“Dalga-parçacık ikiliği, teorideki önemi ve deneysel doğrulama”

Tamamlanmış:

2. sınıf öğrencisi

MVT-4 grupları

Öğretmen:

Kobranov.M.E

Moskova 2001

Kaynakça:

Gribov L.A. Prokofieva N.I., “Fiziğin Temelleri”, ed. Bilim 1995

Zhibrov A.E., Mikhailov V.K., Galtsev V.V., “Kuantum mekaniği ve atom fiziğinin unsurları”, MISI im. V.V Kuibysheva, 1984

Shpolsky I.V., “Atomik Fizik”, ed. Bilim, 1974

Gursky I.P., “Temel fizik”, Düzenleyen: Savelyev I.V., 1984.

"İlköğretim fizik ders kitabı", Ed. Landsberg G.S., 1986

Kabardin O.F., “Fizik”, ed. Eğitim.

Savelyev I.V., “Genel Fizik Dersi”, ed. Bilim, 1988

İçerik.

Giriiş.
Işığın dalga özellikleri.

a) Dağılım.

b) Kırınım.

c) Polarizasyon

Işığın kuantum özellikleri.

a) Fotoelektrik etki.

b) Compton etkisi.

5. Sonuç.

6. Kullanılan literatürün listesi.

Giriiş.

Zaten eski zamanlarda, ışığın doğası sorununu çözmeye yönelik üç ana yaklaşım özetlendi. Bu üç yaklaşım daha sonra iki rakip teoride şekillendi: Işığın parçacık ve dalga teorileri.

Antik filozofların ve bilim adamlarının büyük çoğunluğu, ışığı, parlak bir cisim ile insan gözünü birbirine bağlayan belirli ışınlar olarak görüyordu. Aynı zamanda bazıları, ışınların kişinin gözünden çıktığına, söz konusu nesneyi sanki hissettiklerine inanıyorlardı. Bu bakış açısının aralarında Öklid'in de bulunduğu çok sayıda takipçisi vardı. Geometrik optiğin birinci yasasını, ışığın doğrusal yayılım yasasını formüle etmek,Öklid şunu yazdı: "Gözlerin yaydığı ışınlar düz bir yol boyunca ilerler." Batlamyus ve diğer birçok bilim adamı ve filozof da aynı görüşteydi.

Ancak daha sonra, Orta Çağ'da, ışığın doğası hakkındaki bu fikir anlamını yitiriyor. Bu görüşleri takip eden bilim adamlarının sayısı giderek azalıyor. Ve 17. yüzyılın başlarında. bu bakış açısının çoktan unutulmuş olduğu düşünülebilir. Diğerleri ise tam tersine, ışınların parlak bir cisim tarafından yayıldığına ve insan gözüne ulaştığında parlak bir nesnenin izini taşıdığına inanıyordu. Bu bakış açısı atomcular Demokritos, Epikuros ve Lucretius tarafından savunuldu.

Işığın doğasına ilişkin ikinci bakış açısı, daha sonra, 17. yüzyılda, ışığın, parlak bir cisim tarafından yayılan bazı parçacıkların akışı olduğu şeklindeki ışığın parçacık teorisinde şekillendi.

Işığın doğasına ilişkin üçüncü bakış açısı Aristoteles tarafından ifade edilmiştir. Işığı uzayda (bir ortamda) yayılan bir eylem veya hareket olarak görüyordu. Onun zamanında çok az kişi Aristoteles'in fikrini paylaşıyordu. Ancak daha sonra, yine 17. yüzyılda onun bakış açısı geliştirildi ve ışığın dalga teorisinin temelleri atıldı.

17. yüzyılın ortalarına gelindiğinde bilimsel düşünceyi geometrik optiğin sınırlarının ötesine iten gerçekler birikmişti. Bilimsel düşünceyi ışığın dalga doğası teorisine doğru iten ilk bilim adamlarından biri Çek bilim adamı Marzi idi. Çalışmaları sadece optik alanında değil aynı zamanda mekanik ve hatta tıp alanında da bilinmektedir. 1648'de ışığın dağılması olgusunu keşfetti.

17. yüzyılda Optiğin gelişmesiyle bağlantılı olarak ışığın doğası sorusu giderek daha fazla ilgi görmeye başladı. Bu durumda, iki karşıt ışık teorisinin oluşumu yavaş yavaş meydana gelir: parçacık ve dalga. Işığın parçacık teorisinin gelişimi için daha uygun zemin vardı. Aslında geometrik optik için ışığın özel parçacıklardan oluşan bir akış olduğu fikri oldukça doğaldı. Işığın doğrusal yayılımının yanı sıra yansıma ve kırılma yasaları da bu teori açısından iyi açıklanmıştır.

Maddenin yapısına ilişkin genel fikir, ışığın parçacık teorisiyle de çelişmiyordu. O dönemde maddenin yapısına ilişkin görüşler atomizme dayanıyordu. Bütün cisimler atomlardan yapılmıştır. Atomlar arasında boşluk vardır. Özellikle o zamanlar gezegenler arası uzayın boş olduğuna inanılıyordu. Gök cisimlerinden gelen ışık, içinde hafif parçacık akışları şeklinde yayılır. Dolayısıyla 17. yüzyılda olması oldukça doğaldır. Işığın parçacık teorisine bağlı kalan birçok fizikçi vardı. Aynı zamanda ışığın dalga doğası fikri de gelişmeye başladı. Descartes, ışığın dalga teorisinin kurucusu sayılabilir.

Elektromanyetik radyasyonun parçacık ve dalga özelliklerinin birliği.

Bu bölümde tartışılan olaylar - kara cisim ışınımı, fotoelektrik etki, Compton etkisi - ışığın bir foton akışı olarak kuantum (parçacık) kavramlarının kanıtı olarak hizmet eder. Öte yandan, ışığın girişimi, kırınımı ve polarizasyonu gibi olaylar, ışığın dalga (elektromanyetik) doğasını ikna edici bir şekilde doğrulamaktadır. Son olarak ışığın basıncı ve kırılması hem dalga hem de kuantum teorileriyle açıklanmaktadır. Böylece, elektromanyetik radyasyon, birbirini tamamlayan sürekli (dalgalar) ve ayrık (fotonlar) görünüşte birbirini dışlayan özelliklerin şaşırtıcı bir birliğini ortaya çıkarır.

Optik olayların daha ayrıntılı bir incelemesi, bir ışık dalgasının elektromanyetik alanının süreklilik özelliğinin özelliklerinin, bir fotonun ayrıklık özelliğinin özelliklerine zıt olmaması gerektiği sonucuna varır. Hem parçacık hem de dalga özelliklerine sahip olan ışık, tezahürlerinde belirli kalıpları ortaya çıkarır. Böylece, ışığın dalga özellikleri, ışığın madde ile etkileşimi süreçlerinde yayılma, girişim, kırınım, polarizasyon yasalarında ve parçacık özelliklerinde kendini gösterir. Dalga boyu ne kadar uzun olursa, fotonun enerjisi ve momentumu o kadar düşük olur ve ışığın kuantum özelliklerini tespit etmek o kadar zor olur (örneğin, fotoelektrik etkinin kırmızı sınırının varlığı bununla bağlantılıdır). Aksine, dalga boyu ne kadar kısa olursa, fotonun enerjisi ve momentumu o kadar büyük olur ve dalga özelliklerini tespit etmek o kadar zor olur (örneğin, X-ışını radyasyonunun dalga özellikleri (kırınımı) ancak kristaller kullanıldıktan sonra keşfedildi) bir kırınım ızgarası olarak).

Işığın ikili parçacık-dalga özellikleri arasındaki ilişki, kuantum optiğinin yaptığı gibi, ışığı görme yasalarını dikkate almak için istatistiksel bir yaklaşım kullanırsak açıklanabilir. Örneğin, ışığın bir yarıktan kırınımı, ışık yarıktan geçtiğinde fotonların uzayda yeniden dağıtılması gerçeğinden oluşur. Fotonların ekranın farklı noktalarına çarpma olasılıkları aynı olmadığı için bir kırınım modeli ortaya çıkar. Ekranın aydınlatması, ekranın birim alanına fotonların çarpma olasılığı ile orantılıdır. Öte yandan dalga teorisine göre aydınlatma, ekranın aynı noktasındaki ışık dalgasının genliğinin karesiyle orantılıdır. Buradan, Uzayda belirli bir noktada bir ışık dalgasının genliğinin karesi, fotonların belirli bir noktaya çarpma olasılığının bir ölçüsüdür.

Işığın dalga özellikleri.

1.1 Dağılım.

Newton'un keşiflerinin özü aşağıdaki deneylerle gösterilmektedir (Şekil 1): Bir fenerin ışığı dar bir deliği aydınlatır S (yuva). Lens kullanma L yarığın görüntüsü ekranda elde edilir MN kısa beyaz bir dikdörtgen şeklinde S '. Yoluna bir prizma yerleştirerek P Kenarı yarığa paralel olan yarığın görüntüsünün kayacağını ve renkli bir şerite dönüşeceğini, kırmızıdan menekşe rengine geçişlerin gökkuşağında gözlenenlere benzer olduğunu göreceğiz. Newton bu gökkuşağı görüntüsüne spektrum adını verdi.

Boşluğu renkli camla kapatırsanız; prizmaya beyaz ışık yerine renkli ışık yönlendirirseniz, yarığın görüntüsü spektrumda karşılık gelen yerde bulunan renkli bir dikdörtgene indirgenecektir; Renge bağlı olarak ışık orijinal görüntüden farklı açılarda sapacaktır S '. Açıklanan gözlemler, farklı renkteki ışınların bir prizma tarafından farklı şekilde kırıldığını göstermektedir.

Newton bu önemli sonucu birçok deneyle doğruladı. Bunlardan en önemlisi spektrumdan izole edilen farklı renkteki ışınların kırılma indisini belirlemekti. Bu amaçla ekranda MN Spektrumun elde edildiği bir delik açıldı; Ekranı hareket ettirerek, delikten şu veya bu renkteki dar bir ışın ışınını serbest bırakmak mümkündü. Tekdüze ışınları izole etmeye yönelik bu yöntem, renkli cam kullanılarak yapılan izolasyondan daha ileri düzeydedir. Deneyler, ikinci bir prizmada kırılan böyle ayrılmış bir ışının artık şeridi uzatmadığını keşfetti. Böyle bir ışın, değeri seçilen ışının rengine bağlı olan belirli bir kırılma indeksine karşılık gelir.

Böylece Newton'un ana deneyleri iki önemli keşif içeriyordu:

1) Farklı renkteki ışık, belirli bir maddedeki (dağılım) farklı kırılma indisleriyle karakterize edilir.

2) Beyaz renk basit renklerin bir koleksiyonudur.

Artık farklı renklerin ışığın farklı dalga boylarına karşılık geldiğini biliyoruz. Dolayısıyla Newton'un ilk keşfi şu şekilde formüle edilebilir:

Bir maddenin kırılma indisi ışığın dalga boyuna bağlıdır.

Genellikle dalga boyu azaldıkça artar.

1.2 Kırınım.

Bir ışık dalgası homojen bir ortamda yayılırken ön tarafın geometrik şeklini değiştirmez. Bununla birlikte, eğer ışık, örneğin opak ekranların, kırılma indisinde nispeten keskin bir değişime sahip uzay alanlarının, vb. bulunduğu homojen olmayan bir ortamda yayılırsa, o zaman dalga cephesinde bir bozulma gözlenir. Bu durumda uzayda ışık dalgasının yoğunluğunun yeniden dağılımı meydana gelir. Örneğin, geometrik optik yasalarına göre gölgeden ışığa ani bir geçişin gerçekleşmesi gereken, gölgenin sınırında bir nokta ışık kaynağına sahip opak ekranları aydınlatırken, bir dizi koyu ve açık şeritler oluşturulur. gözlendiğinde ışığın bir kısmı geometrik gölge bölgesine nüfuz eder. Bu olaylar ışığın kırınımıyla ilgilidir.

Sommerfeld'in tanımı: Işığın kırınımı, sürekli değişen kırılma indisine sahip bir ortamda ışık ışınlarının yansıması, kırılması veya bükülmesi sonucu açıklanamıyorsa, doğrusal yayılımdan herhangi bir sapma olarak anlaşılır.

Kırınım teorisi, dalga yayılma yolunda herhangi bir engelin olduğu durumlarda dalga süreçlerini dikkate alır.

1.3 Polarizasyon

Dikdörtgenin kenarlarından biri kristalin içinde optik eksen adı verilen belirli bir yöne denk gelecek şekilde kesilmiş iki özdeş dikdörtgen turmalin plakayı alalım. Eksenleri aynı yönde olacak şekilde bir plakayı diğerinin üzerine koyalım ve katlanmış plaka çiftinin içinden bir fenerden veya güneşten gelen dar bir ışık huzmesini geçirelim. Turmalin kahverengi-yeşil bir kristal olduğundan, iletilen ışının ekranda izi koyu yeşil bir benek şeklinde görünecektir. Plakalardan birini kirişin etrafında döndürmeye başlayalım, ikincisini hareketsiz bırakalım. Işının izinin zayıfladığını ve plaka 90 0 döndürüldüğünde tamamen kaybolduğunu göreceğiz. Plakanın daha fazla dönmesiyle, geçen ışın yeniden yoğunlaşmaya başlayacak ve plaka 180° döndüğünde önceki yoğunluğuna ulaşacaktır; plakaların optik eksenleri tekrar paralel olduğunda. Turmalinin daha fazla dönmesiyle ışın tekrar zayıflar.

Aşağıdaki sonuçların çıkarılması durumunda gözlemlenen tüm olaylar açıklanabilir.

Işındaki ışık titreşimleri, ışığın yayılma çizgisine dik olarak yönlendirilir (ışık dalgaları eninedir).

Turmalin, hafif titreşimleri ancak kendi eksenine göre belirli bir şekilde yönlendirildiklerinde iletebilir.

Bir fenerin (güneş) ışığında, herhangi bir yöndeki enine titreşimler sunulur ve üstelik aynı orandadır, böylece hiçbir yön baskın değildir.

Işığın kuantum özellikleri.

2.1 Fotoelektrik etki.

Planck'ın kuantum hipotezi, 1887'de keşfedilen fotoelektrik etki olgusunu açıklamanın temelini oluşturdu. Alman fizikçi Heinrich Hertz.

Birkaç tür fotoğraf efekti vardır: harici ve dahili fotoğraf efektleri, valf fotoğraf efektleri ve bir dizi başka efekt.

Dış fotoelektrik etki, üzerine gelen ışığın etkisi altında bir maddeden elektronların çıkması olgusudur.

2.2 Compton etkisi.

Işığın parçacık özellikleri en iyi şekilde Compton etkisinde ortaya çıkar. Amerikalı fizikçi A. Compton (1892-1962), 1923'te monokromatik X-ışını radyasyonunun hafif atomlu maddeler (parafin, bor) tarafından saçılımını inceleyerek, orijinal dalga boyunun radyasyonuyla birlikte saçılan radyasyonun bileşiminde bunu keşfetti. Daha uzun dalga boylu radyasyon da gözlendi.

Compton etkisi, kısa dalga elektromanyetik radyasyonun (X ışınları ve gama radyasyonu) bir maddenin serbest (veya zayıf bağlı) elektronları üzerinde dalga boyunda bir artışla birlikte elastik saçılmasıdır. Bu etki, saçılma sırasında dalga boyunun değişmemesi gerektiğini söyleyen dalga teorisinin çerçevesine uymuyor: bir ışık dalgasının periyodik alanının etkisi altında, elektron alanın frekansıyla salınır ve bu nedenle dağınık dalgalar yayar. aynı frekansta.

Compton etkisinin açıklaması, ışığın doğası hakkındaki kuantum kavramları temel alınarak verilmiştir. Kuantum teorisinin yaptığı gibi radyasyonun parçacık niteliğinde olduğunu varsayarsak.

Compton etkisi yalnızca elektronlarda değil, protonlar gibi diğer yüklü parçacıklarda da gözlemlenir, ancak protonun büyük kütlesi nedeniyle geri tepmesi yalnızca çok yüksek enerjili fotonlar saçıldığında "görünür".

Hem Compton etkisi hem de kuantum kavramlarına dayanan fotoelektrik etki, fotonların elektronlarla etkileşiminden kaynaklanmaktadır. İlk durumda foton saçılır, ikincisinde ise emilir. Saçılma, bir foton serbest elektronlarla etkileşime girdiğinde meydana gelir ve fotoelektrik etki, bağlı elektronlarla meydana gelir. Bir foton serbest elektronlarla çarpıştığında, fotonun soğurulmasının gerçekleşemeyeceği gösterilebilir çünkü bu, momentum ve enerjinin korunumu yasalarıyla çelişir. Bu nedenle, fotonlar serbest elektronlarla etkileşime girdiğinde yalnızca saçılmaları gözlemlenebilir; Compton etkisi.

Çözüm.

Kullanılmış literatürün listesi.

1) A.A. Detlaf B.M. Yavorsky “Fizik Dersi” ed. "Yüksek Okul" 2000

2) T.I. Trofimov "Fizik Dersi" ed. "Yüksek Okul" 2001

3) H. Kuhling “Fizik El Kitabı” ed. "Barış" 1982

4) Gursky I.P. "Temel Fizik" ed. IV. Savelyeva 1984

5) Tarasov L.V., Tarasova A.N. “Işığın kırılması üzerine konuşmalar” / ed. V.A.

Fabrikanta, ed. "Bilim", 1982.

Fotoelektrik etki üzerine yapılan deneylerde, Compton deneyinde ve diğer bazı deneylerde ışığın parçacık özelliklerinin keşfi, girişim, kırınım olgusunu gözlemlerken keşfedilen, ışıkta dalga özelliklerinin varlığına ilişkin kesin olarak belirlenmiş gerçekleri iptal edemez. ve polarizasyon. Işığın hem dalga hem de parçacık özelliğine sahip olmasına dalga-parçacık ikiliği denir.

Dalgaların ve parçacıkların klasik fizikteki zıt özellikleri, ışığın hem bir dalga hem de bir parçacık akışı olduğunu iddia etmeyi haksız kılmaktadır. Işık ne bir dalga ne de parçacıklardan oluşan bir akıntıdır. Işığın doğası daha karmaşıktır ve klasik fiziğin görsel görüntüleri kullanılarak iç çelişkiler olmadan tanımlanamaz. Işığın özelliklerine ilişkin dalga-parçacık düalizminin anlamı, deneysel koşullara bağlı olarak ışığın doğasının dalga veya parçacık kavramları kullanılarak yaklaşık olarak tanımlanabilmesidir.

Işığın karmaşık doğasını daha basit bir hale getirme seçeneklerinden biri, bir fotonu, çok sayıda harmonik elektromanyetik dalganın eklenmesinden kaynaklanan, uzay ve zamanla sınırlı bir elektromanyetik dalga dizisi biçiminde temsil etme girişimidir. Eğer bu foton fikri doğru olsaydı, bir ışık huzmesi yarı saydam ayna kaplamalı bir plakadan geçtiğinde, her trenin yarısı iletilecek ve yarısı yansıtılacaktı. Her fotonun ikiye bölünmesi, iletilen ve yansıyan ışık ışınlarının yoluna yerleştirilen cihazların aynı anda çalışmasıyla tespit edilebiliyordu. Ancak deneyimler, cihazların aynı anda çalışmadığını göstermektedir. Ya birincisi çalışır ya da ikincisi ayrı ayrı çalışır. Bu, her fotonun yarı saydam kaplamalı bir plaka tarafından ikiye bölünmediği, ancak eşit olasılıkla ikiye bölündüğü anlamına gelir.

tek bir bütün olarak plakadan yansıtılır veya geçer.

Işığın özelliklerini tanımlamak için klasik fizik görüntülerinin sınırlı uygulanabilirliği, yalnızca dalga kavramlarının bazı deneylerin sonuçlarını ve diğerleri için parçacık kavramlarını açıklamak için uygun olmasıyla değil, aynı zamanda bu görüntüleri kullanma kurallarında da ifade edilir. herbir durumda. Fotoelektrik etkiyi ve Compton saçılımını tanımlarken parçacık kavramlarını kullanırken, klasik fizikte bir fotonun özellikleri ile parçacıkların özellikleri arasındaki önemli farklılıkları unutmamalıyız. Bir fotonun geri kalan kütlesi sıfırdır, herhangi bir eylemsiz referans çerçevesindeki hareketinin hızı aynıdır ve hızının sıfıra eşit olacağı bir referans çerçevesi yoktur. Işığı bir parçacık akışı (foton) olarak düşünürsek, bir fotonun kütlesini belirlemek için ışığın saf dalga özelliğini (frekans) kullanmamız gerekir. Işığın girişimi ve kırınımı gibi dalga olaylarını incelerken, girişim veya kırınım modelini kaydetmek için bir fotosel veya fotoğraf plakası kullanmak, yani dalga özelliklerini tespit etmek için ışığın kuantum özelliklerini kullanmak gerekir.

1. Fotoelektrik etkinin hangi düzenlilikleri ışığın dalga teorisine dayanarak açıklanamaz?

2. Fotoelektrik etkinin gecikmesinin neden dalga teorisinden kaynaklandığını açıklayın.

3. Aynı frekanstaki fotonların etkisi altında bir metalden salınan elektronların kinetik enerjisi aynı mıdır?

4. Görünür ışık fotonlarının Compton saçılımı olgusunu gözlemlemek mümkün müdür?

5. Bothe'nin deneyini bir el feneri ampulü ve görünür ışıktaki foton sayaçlarını foton kaynağı olarak kullanarak gerçekleştirmek mümkün müdür?

Akıllara durgunluk veren konularımızla unutulduğumuzu düşünüyorsanız, sizi hayal kırıklığına uğratmak ve mutlu etmek için acele ediyoruz: yanıldınız! Aslında tüm bu zaman boyunca kuantum paradokslarıyla ilgili çılgın konuları sunmanın kabul edilebilir bir yöntemini bulmaya çalışıyorduk. Birkaç taslak yazdık ama hepsi soğuğa atıldı. Çünkü kuantum şakalarını açıklamaya gelince, bizim de kafamız karışıyor ve pek bir şey anlamadığımızı itiraf ediyoruz (ve genel olarak, dünyanın harika bilim adamları da dahil olmak üzere çok az insan bu konuyu anlıyor). Ne yazık ki, kuantum dünyası, dar görüşlü dünya görüşüne o kadar yabancı ki, yanlış anlaşılmanızı kabul etmek ve en azından temelleri anlamak için birlikte biraz denemek hiç de utanç verici değil.

Her ne kadar her zamanki gibi Google'dan alınan görsellerle mümkün olduğunca net bir şekilde konuşmaya çalışsak da, deneyimsiz okuyucunun ilk hazırlıklara ihtiyacı olacak, bu nedenle önceki konularımıza, özellikle de kuantum ve maddeye göz atmanızı öneririz.
Özellikle hümanistler ve ilgilenen diğer insanlar için - kuantum paradoksları. Bölüm 1.

Bu konuda kuantum dünyasının en yaygın gizemi olan dalga-parçacık ikiliğinden bahsedeceğiz. “En sıradan” derken, fizikçilerin bundan o kadar sıkıldığını ve artık bir sır gibi görünmediğini kastediyoruz. Ancak bunların hepsi, diğer kuantum paradokslarının ortalama bir zihin için kabul edilmesinin çok daha zor olmasından kaynaklanmaktadır.

Ve bu böyleydi. Eski güzel günlerde, 17. yüzyılın ortalarında, Newton ve Huygens ışığın varlığı konusunda aynı fikirde değillerdi: Newton utanmadan ışığın parçacıklardan oluşan bir akış olduğunu ilan etti ve yaşlı Huygens ışığın bir dalga olduğunu kanıtlamaya çalıştı. Ancak Newton daha otoriterdi, dolayısıyla ışığın doğası hakkındaki açıklaması doğru olarak kabul edildi ve Huygens'e güldü. Ve iki yüz yıl boyunca ışık, doğasını bir gün keşfetmeyi umdukları bazı bilinmeyen parçacıkların akışı olarak kabul edildi.

19. yüzyılın başlarında Thomas Young adında bir oryantalist, optik aletlerle uğraşmış, bunun sonucunda da günümüzde Young deneyi olarak adlandırılan bir deneyi gerçekleştirmiş ve her fizikçi bu deneyi kutsal saymıştır.

Thomas Young, plakadaki iki yarıktan bir ışık ışınını (aynı renkte, dolayısıyla frekansı yaklaşık olarak aynı olacak şekilde) yönlendirdi ve arkasına başka bir ekran plakası yerleştirdi. Ve sonucu meslektaşlarına gösterdi. Işık bir parçacık akışı olsaydı, arka planda iki ışık şeridi görürdük.
Ancak maalesef tüm bilim dünyası için plaka ekranında bir dizi koyu ve açık şerit belirdi. Girişim adı verilen yaygın bir olgu, iki (veya daha fazla dalganın) üst üste binmesidir.

Bu arada, müdahale sayesinde bir yağ lekesinde veya sabun köpüğünde gökkuşağı renklerini gözlemliyoruz.

Başka bir deyişle Thomas Young ışığın dalga olduğunu deneysel olarak kanıtladı. Bilim dünyası uzun süre Jung'a inanmak istemedi ve bir ara o kadar eleştirildi ki dalga teorisine dair fikirlerinden bile vazgeçti. Ancak bunların doğruluğuna olan güven yine de galip geldi ve bilim adamları ışığı bir dalga olarak görmeye başladı. Doğru, bir dalga - bu bir gizemdi.
Resimde eski güzel Jung deneyi görülüyor.

Işığın dalga doğasının klasik fiziği pek etkilemediğini söylemek gerekir. Bilim adamları formülleri yeniden yazdılar ve yakında tüm dünyanın her şey için tek bir evrensel formülün altına düşeceğine inanmaya başladılar.
Ama Einstein'ın her zamanki gibi her şeyi mahvettiğini zaten tahmin etmiştiniz. Sorun diğer taraftan da ortaya çıktı - ilk başta bilim adamlarının termal dalgaların enerjisini hesaplamada kafaları karıştı ve kuantum kavramını keşfettiler (bunu ilgili konu başlığımızda mutlaka okuyun ""). Ve sonra, aynı kuantumların yardımıyla Einstein, fotoelektrik etki olayını açıklayarak fiziğe bir darbe indirdi.

Kısaca: Fotoelektrik etki (bunun sonuçlarından biri filme maruz kalmadır), elektronların belirli malzemelerin yüzeyinden ışıkla koparılmasıdır. Teknik olarak bu bayılma, sanki ışık bir parçacıkmış gibi gerçekleşir. Einstein ışık parçacığına ışık kuantumu adını verdi ve daha sonra ona foton adı verildi.

1920'de, ışığın anti-dalga teorisine şaşırtıcı Compton etkisi eklendi: Bir elektron foton bombardımanına tutulduğunda, foton enerji kaybıyla elektrondan geri döner (biz maviyle "ateş ederiz" ama kırmızı olan uçar). kapalı), diğerinden gelen bir bilardo topu gibi. Compton bunun için Nobel Ödülü'nü kazandı.

Bu sefer fizikçiler ışığın dalga doğasından vazgeçmek konusunda temkinli davrandılar, bunun yerine çok düşündüler. Bilim korkunç bir gizemle karşı karşıyadır: Işık dalga mıdır yoksa parçacık mıdır?

Her dalga gibi ışığın da bir frekansı vardır ve bunu kontrol etmek kolaydır. Farklı renkler görüyoruz çünkü her renk bir elektromanyetik (ışık) dalganın farklı frekansıdır: kırmızı düşük frekanstır, mor ise yüksek frekanstır.
Ama şaşırtıcı: Görünür ışığın dalga boyu bir atomun beş bin katı büyüklüğündedir - atom bu dalgayı emdiğinde böyle bir "şey" atomun içine nasıl sığar? Keşke foton, boyut olarak atomla karşılaştırılabilecek bir parçacık olsaydı. Bir foton aynı anda hem büyük hem de küçük müdür?

Ek olarak, fotoelektrik etki ve Compton etkisi, ışığın hala bir parçacık akışı olduğunu açıkça kanıtlıyor: Bir dalganın enerjiyi uzayda bulunan elektronlara nasıl aktardığı açıklanamaz - eğer ışık bir dalga olsaydı, o zaman bazı elektronlar daha sonra devre dışı bırakılırdı. diğerlerinden daha ve fenomeni fotoelektrik etkiyi gözlemlemezdik. Ancak bir akış durumunda, tek bir foton tek bir elektronla çarpışır ve belirli koşullar altında onu atomun dışına atar.

Sonuç olarak şuna karar verildi: Işık hem dalga hem de parçacıktır. Daha doğrusu, ne biri ne de diğeri, maddenin daha önce bilinmeyen yeni bir varoluş biçimi: gözlemlediğimiz fenomenler, olup bitenlere nasıl baktığınıza bağlı olarak, gerçek durumun sadece yansımaları veya gölgeleridir. Bir taraftan aydınlatılan bir silindirin gölgesine baktığımızda bir daire, diğer taraftan aydınlatıldığında ise dikdörtgen bir gölge görürüz. Işığın parçacık-dalga gösteriminde de durum aynıdır.

Ama burada bile her şey kolay değil. Işığı bir dalga ya da parçacık akışı olarak gördüğümüzü söyleyemeyiz. Pencereden dışarı bakmak. Aniden temiz yıkanmış camda bile bulanık da olsa kendi yansımamızı görürüz. Amaç ne? Işık bir dalgaysa, penceredeki yansımayı açıklamak kolaydır; bir dalga bir engelden yansıdığında suda da benzer etkiler görürüz. Ancak ışık bir parçacık akışı ise yansıma o kadar kolay açıklanamaz. Sonuçta tüm fotonlar aynıdır. Ancak hepsi aynıysa, pencere camı şeklindeki bariyerin onlar üzerinde de aynı etkiyi yapması gerekir. Ya hepsi camdan geçer ya da hepsi yansıtılır. Ancak sert gerçeklikte, bazı fotonlar camın içinden uçuyor ve biz komşu evi görüyoruz ve hemen yansımamızı görüyoruz.

Ve aklıma gelen tek açıklama: fotonlar kendi başlarınadır. Belirli bir fotonun nasıl davranacağını (camla parçacık olarak mı yoksa dalga olarak mı çarpışacağını) yüzde yüz olasılıkla tahmin etmek imkansızdır. Bu, kuantum fiziğinin temelidir - maddenin mikro düzeyde, hiçbir sebep olmadan tamamen, kesinlikle rastgele davranışı (ve büyük miktarlardan oluşan dünyamızda, her şeyin bir nedeni olduğunu deneyimlerimizden biliyoruz). Bu, yazı tura atmanın aksine mükemmel bir rastgele sayı üretecidir.

Fotonu keşfeden dahi Einstein, hayatının sonuna kadar kuantum fiziğinin yanlış olduğuna ikna olmuş ve herkese "Tanrı zar atmaz" güvencesini vermişti. Ancak modern bilim, bunun işe yaradığını giderek daha fazla doğruluyor.

Öyle ya da böyle, bilim insanları bir gün "dalga mı parçacık mı" tartışmasına son vermeye ve Jung'un deneyimini 20. yüzyılın teknolojilerini de dikkate alarak yeniden üretmeye karar verdiler. Bu zamana kadar, fotonları teker teker vurmayı öğrenmişlerdi (halk arasında "lazerler" olarak bilinen kuantum üreteçleri) ve bu nedenle, bir parçacık iki yarıktan bir parçacığı vurduğunda ekranda ne olacağını kontrol etmeye karar verildi: Kontrollü deneysel koşullar altında maddenin ne olduğu nihayet açıklığa kavuşacak.

Ve aniden - tek bir ışık kuantumu (foton) bir girişim deseni gösterdi, yani parçacık her iki yarıktan aynı anda uçtu, foton kendi kendine girişimde bulundu (bilimsel açıdan). Teknik noktayı açıklığa kavuşturalım - aslında girişim resmi tek bir fotonla değil, 10 saniye aralıklarla tek bir parçacığa yapılan bir dizi çekimle gösterildi - zamanla, 1801'den beri herhangi bir C öğrencisinin aşina olduğu Young'ın saçakları ortaya çıktı. ekran.

Dalga açısından bakıldığında bu mantıklıdır - dalga çatlaklardan geçer ve şimdi iki yeni dalga eşmerkezli daireler halinde birbiriyle örtüşerek birbirinden ayrılır.
Ancak parçacık açısından bakıldığında, fotonun yarıklardan geçerken aynı anda iki yerde olduğu ve geçtikten sonra kendi kendine karıştığı ortaya çıkıyor. Bu genellikle normaldir, değil mi?
Bunun normal olduğu ortaya çıktı. Üstelik foton aynı anda iki yarıkta bulunduğundan, hem yarıklardan önce hem de yarıklardan geçtikten sonra her yerde aynı anda olduğu anlamına gelir. Ve genel olarak kuantum fiziği açısından başlangıç ve bitiş arasında salınan foton aynı anda "her yerde ve aynı anda"dır. Fizikçiler böyle bir parçacık bulgusunu "her yerde aynı anda" süperpozisyon olarak adlandırıyorlar; eskiden matematiksel bir şımarıklık olan bu korkunç kelime artık fiziksel bir gerçekliğe dönüştü.

Kuantum fiziğinin tanınmış bir rakibi olan E. Schrödinger, o sıralarda bir yerlerde maddenin, örneğin su gibi dalga özelliklerini tanımlayan bir formül bulmuştu. Ve üzerinde biraz uğraştıktan sonra dehşet içinde dalga fonksiyonu denilen sonucu çıkardım. Bu fonksiyon belirli bir konumda bir fotonun bulunma olasılığını gösteriyordu. Bunun kesin bir konum değil, bir olasılık olduğunu unutmayın. Ve bu olasılık, belirli bir konumdaki kuantum dalga tepesinin yüksekliğinin karesine bağlıydı (eğer ayrıntılarla ilgilenen varsa).

Parçacıkların konumunu ölçme konularına ayrı bir bölüm ayıracağız.

Daha sonraki keşifler, dualizm içeren şeylerin daha da kötü ve daha gizemli olduğunu gösterdi.
1924'te Louis de Broglie adında biri, ışığın dalga-parçacık özelliklerinin buzdağının görünen kısmı olduğunu söyledi. Ve tüm temel parçacıklar bu anlaşılmaz özelliğe sahiptir.
Yani, bir parçacık ve bir dalga aynı anda yalnızca elektromanyetik alanın parçacıkları (fotonlar) değil, aynı zamanda elektronlar, protonlar vb. gibi gerçek parçacıklardır. Çevremizdeki mikroskobik düzeydeki tüm maddeler dalgalardır(ve aynı zamanda parçacıklar).

Ve birkaç yıl sonra, bu deneysel olarak bile doğrulandı - Amerikalılar elektronları (bugünün eski osurukları tarafından "kinescope" adı altında bilinen) katot ışın tüplerine sürdüler - ve böylece elektronların yansımasıyla ilgili gözlemler, bir elektronun bir elektronun varlığını doğruladı. aynı zamanda bir dalgadır (anlaşılması kolay olsun diye elektronun yoluna iki yarıklı bir plaka yerleştirdiler ve elektronun girişimini olduğu gibi gördüler diyebilirsiniz).

Bugüne kadar yapılan deneyler, atomların da dalga özelliklerine sahip olduğunu ve hatta bazı özel molekül türlerinin ("fullerenler" olarak adlandırılan) kendilerini dalga olarak gösterdiğini keşfetti.

Henüz hikayemiz karşısında şaşkına dönmemiş olan okuyucunun meraklı zihni şu soruyu soracaktır: Eğer madde bir dalgaysa, o zaman neden örneğin uçan bir top uzaya dalga şeklinde yayılmadı? Bir jet uçağı neden dalgaya hiç benzemiyor da jet uçağına çok benziyor?

Şeytan De Broglie burada her şeyi açıkladı: Evet, uçan bir top veya bir Boeing de bir dalgadır, ancak bu dalganın uzunluğu ne kadar kısaysa, itme o kadar büyük olur. Momentum kütle çarpı hızdır. Yani maddenin kütlesi ne kadar büyük olursa dalga boyu da o kadar kısa olur. 150 km/saat hızla uçan bir topun dalga boyu yaklaşık 0,00 metre olacaktır. Bu nedenle topun uzayda dalga halinde nasıl yayıldığını fark edemiyoruz. Bizim için katı maddedir.
Elektron çok hafif bir parçacıktır ve 6000 km/sn hızla uçarken, 0,0000000001 metrelik gözle görülür bir dalga boyuna sahip olacaktır.

Bu arada atom çekirdeğinin neden bu kadar “dalgalı” olmadığı sorusunun cevabını hemen verelim. Elektronun çılgınca uçtuğu ve aynı zamanda bulaştığı atomun merkezinde yer almasına rağmen, proton ve nötronların kütlesi ile ilişkili iyi bir momentumun yanı sıra yüksek frekanslı salınım (hız) vardır. çekirdeğin içindeki güçlü etkileşimin içinde sürekli bir parçacık değişiminin varlığına (konuyu okuyun). Dolayısıyla çekirdek daha çok aşina olduğumuz katı maddeye benziyor. Görünüşe göre elektron, dalga özelliklerini açıkça ifade eden kütlesi olan tek parçacıktır, bu nedenle herkes onu zevkle inceler.

Parçacıklarımıza geri dönelim. Böylece ortaya çıktı: Bir atomun etrafında dönen bir elektron hem parçacık hem de dalgadır. Yani parçacık döner ve aynı zamanda elektron, bir dalga olarak çekirdeğin etrafında belirli bir şekle sahip bir kabuğu temsil eder - bu insan beyni tarafından nasıl anlaşılabilir?

Yukarıda, uçan bir elektronun oldukça büyük (mikrokozmos için) bir dalga boyuna sahip olduğunu ve bir atomun çekirdeğinin etrafına sığabilmesi için böyle bir dalganın uygunsuz derecede büyük miktarda alana ihtiyacı olduğunu hesaplamıştık. Çekirdeğe kıyasla bu kadar büyük atom boyutlarını açıklayan şey tam olarak budur. Elektronun dalga boyları atomun büyüklüğünü belirler. Çekirdek ile atomun yüzeyi arasındaki boş alan, elektronun dalga boyunun (ve aynı zamanda parçacığının) “yerleşmesi” ile doldurulur. Bu çok kaba ve yanlış bir açıklama - lütfen bizi affedin - gerçekte her şey çok daha karmaşık, ancak amacımız en azından tüm bunlarla ilgilenen insanların bilimin granitinden bir parça kemirmesine izin vermek.

Tekrar açık olalım! Yazıya yapılan bazı yorumlardan sonra bu yazıda ne kadar önemli bir noktanın eksik olduğunu anladık. Dikkat! Maddenin tanımladığımız şekli ne dalga ne de parçacıktır. Yalnızca (aynı anda) dalga özelliklerine ve parçacık özelliklerine sahiptir. Elektromanyetik dalganın veya elektron dalgasının deniz dalgalarına veya ses dalgalarına benzediği söylenemez. Aşina olduğumuz dalgalar, bazı maddelerle dolu uzaydaki bozuklukların yayılmasını temsil ediyor.
Fotonlar, elektronlar ve mikrokozmosun diğer örnekleri, uzayda hareket ederken dalga denklemleriyle tanımlanabilir; davranışları yalnızca bir dalgaya BENZERDİR, ancak hiçbir durumda bir dalga değildirler. Maddenin parçacık yapısına benzer: Bir parçacığın davranışı küçük nokta toplarının uçuşuna benzer, ancak bunlar asla top değildir.
Bunun anlaşılması ve kabul edilmesi gerekiyor, aksi takdirde tüm düşüncelerimiz sonunda makrokozmosta analog arayışına yol açacak ve böylece kuantum fiziği anlayışı sona erecek ve kuantum büyüsü ve maddesellik gibi keşişlik veya şarlatanlık felsefesi başlayacak. düşüncelerin.

Jung'un modernleştirilmiş deneyinin geri kalan korkunç sonuçlarını ve sonuçlarını bir sonraki bölümde ele alacağız - Heisenberg'in belirsizliği, Schrödinger'in kedisi, Pauli dışlama ilkesi ve kuantum dolanıklığı, makalelerimizi birden fazla kez tekrar okuyacak ve altüst edecek sabırlı ve düşünceli okuyucuyu bekliyor. Ek bilgi aramak için İnternet üzerinden.

İlginiz için hepinize teşekkür ederim. Herkese mutlu uykusuzluklar veya bilişsel kabuslar!

Not: Tüm görsellerin Google'dan alındığını (görsellere göre arama) - yazarlığın orada belirlendiğini özenle hatırlatırız.
Metnin yasa dışı kopyalanması dava ediliyor, bastırılıyor, biliyorsunuz...