Корпускулярно-волновой дуализм свойств вещества. Волновые и корпускулярные свойства света Корпускулярные физические свойства

Основными характеристиками света как волнового процесса являются частота n и длина волны l. Корпускулярные свойства света характеризуются фотонами. Каждый фотон обладает энергией

e ф = hn, (5.1)

и импульсом

. (5.3)

Формула (5.3) устанавливает связь волновых и корпускулярных свойств света.

В связи с этим возникло предположение о том, что двойственная природа присуща не только свету, но и частицам материи, в частности электрону. В 1924 году Луи де Бройль высказал следующую гипотезу: с электроном связан волновой процесс, длина волны которого равна

где h = 6,63 × 10 –34 Дж×с - постоянная Планка, m – масса электрона, v – скорость электрона.

Расчеты показали, что длина волны, связанной с движущимся электроном, имеет тот же порядок, что и длина волны рентгеновских лучей (10 –10 ¸ 10 –13 м).

Из формулы де Бройля (5.4) видно, что волновые свойства частиц существенны только в тех случаях, в которых величиной постоянной Планка h пренебречь нельзя. Если в условиях данной задачи можно считать, что h ® 0, то и l®0 и волновыми свойствами частиц можно пренебречь.

5.2. Опытное обоснование корпускулярно – волнового дуализма

Гипотеза де Бройля получила экспериментальное подтверждение в опытах К. Дэвиссона и Л. Джермера (1927 г.), П.С. Тартаковского (1927 г.), Л.М. Бибермана, Н.Г. Сушкина и В.А. Фабриканта (1949 г.) и др.

В опытах Дэвиссона и Джермера (рис.5.1) электроны из электронной пушки узким пучком направлялись на кристалл никеля, структура которого хорошо известна.

Рис.5.1. Схема опыта Девиссона и Джермера

Отраженные от поверхности кристалла электроны попадали в приемник, соединенный с гальванометром. Приемник перемещался по дуге и улавливал электроны, отраженные под разными углами. Чем больше электронов попадало в приемник, тем больший ток регистрировался гальванометром.

Оказалось, что при заданном угле падения электронного пучка и изменении разности потенциалов U, ускоряющей электроны, ток I менялся не монотонно, а имел ряд максимумов (рис.5.2).

Рис.5.2. Зависимость силы тока от ускоряющей разности потенциалов в опытах Дэвиссона и Джермера

Полученный график говорит о том, что отражение электронов происходит не при любых, а при строго определенных значениях U, т.е. при строго определенных скоростях v электронов. Эту зависимость удалось объяснить только на основе представлений об электронных волнах.

Для этого выразим скорость электрона через ускоряющее напряжение:

и найдем дебройлевскую длину волны электрона:

(5.6)

Для отраженных от кристалла электронных волн, так же как и для рентгеновских лучей, должно выполняться условие Вульфа-Брэггов:

2d sinq = kl, k = 1,2,3,..., (5.7)

где d – постоянная кристаллической решетки, q – угол между падающим лучом и поверхностью кристалла.

Подставив (5.6) в (5.7), найдем те значения ускоряющего напряжения, которые соответствуют максимумам отражения, а следовательно, и максимальному току через гальванометр:

(5.8)

Рассчитанные по данной формуле значения U при q=const прекрасно согласуются с результатами опытов Дэвиссона и Джермера.

В опытах П.С. Тартаковского кристалл заменялся тонкой пленкой поликристаллической структуры (рис.5.3).

Рис.5.3. Схема опытов П.С. Тартаковского

Рассеянные пленкой электроны давали на экране дифракционные круги. Аналогичная картина наблюдалась при рассеянии рентгеновских лучей на поликристаллах. По диаметрам дифракционных кругов можно определить дебройлевскую длину волны lэлектронов. Если l известна, то дифракционная картина позволяет судить о структуре кристалла. Этот метод исследования структуры носит название электронографии.

Л.М. Биберманом, Н.Г. Сушкиным и В.А. Фабрикантом были осуществлены опыты по дифракции одиночных, поочередно летящих электронов. Отдельные электроны попадали в различные точки экрана, на первый взгляд, разбросанные беспорядочно. Однако при рассеянии большого числа электронов обнаружилось, что точки попадания электронов на экран распределены так, что образуют максимумы и минимумы, т.е. при длительной экспозиции была получена такая же дифракционная картина, какую дает пучок электронов. Это свидетельствует о том, что волновыми свойствами обладает каждый отдельно взятый электрон.

Дифракционные явления наблюдались в опытах не только с электронами, но и с протонами, нейтронами, атомными и молекулярными пучками.

За последние сто лет наука шагнула далеко вперед в изучении устройства нашего мира как на микроскопическом, так и на макроскопическом уровне. Потрясающие открытия, принесенные нам специальной и общей теориями относительности, квантовой механикой, до сих пор будоражат умы общественности. Однако любому образованному человеку необходимо разобраться хотя бы в основах современных достижений науки. Одним из наиболее впечатляющих и важных моментов является корпускулярно-волновой дуализм. Это парадоксальное открытие, понимание которого неподвластно интуитивному бытовому восприятию.

Корпускулы и волны

Впервые дуализм обнаружили при исследовании света, который вел себя в зависимости от условий совершенно по-разному. С одной стороны, получалось, что свет - это оптическая электромагнитная волна. С другой стороны - дискретная частица (химическое действие света). Первоначально ученые считали, что эти два представления взаимно исключают друг друга. Однако многочисленные опыты показали, что это не так. Постепенно реальность такого понятия, как корпускулярно-волновой дуализм, стала обыденной. Эта концепция представляет собой основу для изучения поведения сложных квантовых объектов, которые не являются ни волнами, ни частицами, а только приобретают свойства вторых или первых в зависимости от определенных условий.

Опыт с двумя щелями

Дифракция фотонов - наглядная демонстрация дуализма. Детектором заряженных частиц является фотопластинка или люминесцирующий экран. Каждый отдельный фотон отмечался засветкой или точечной вспышкой. Совокупность таких отметок давала интерференционную картину - чередование слабо и сильно засвеченных полосок, что является характеристикой дифракции волны. Это и объясняется таким понятием, как корпускулярно-волновой дуализм. Знаменитый физик и Нобелевский лауреат Ричард Фейнман говорил, что вещество ведет себя в малых масштабах так, что ощутить «естественность» поведения квантов невозможно.

Универсальный дуализм

Однако данный опыт справедлив не только для фотонов. Оказалось, что дуализм - это свойство всего вещества, и он универсален. Гейзенберг утверждал, что материя существует в обоих вариантах попеременно. На сегодняшний день абсолютно доказано, что оба свойства проявляются совершенно одновременно.

Корпускулярная волна

А как объяснить такое поведение материи? Волну, которая присуща корпускулам (частицам), именуют волной де Бройля, по имени молодого аристократа-ученого, предложившего решение данной проблемы. Принято считать, что уравнения де Бройля описывают волновую функцию, которая в квадрате определяет только вероятность того, что частица находится в разное время в разных точках в пространстве. Проще говоря, дебройлевская волна - это вероятность. Таким образом установили равенство между математическим понятием (вероятностью) и реальным процессом.

Квантовое поле

Что такое корпускулы вещества? По большому счету, это кванты волновых полей. Фотон - квант электромагнитного поля, позитрон и электрон - электронно-позитронного, мезон - квант мезонного поля и так далее. Взаимодействие между волновыми полями объясняется обменом между ними некими промежуточными частицами, к примеру, при электромагнитном взаимодействии идет обмен фотонами. Из этого прямо следует еще одно подтверждение того, что волновые процессы, описанные де Бройлем, - это абсолютно реальные физические явления. А корпускулярно-волновой дуализм выступает не как «таинственное скрытое свойство», которое характеризует способность частиц к «перевоплощению». Он наглядно демонстрирует два взаимосвязанных действия - движение объекта и связанный с ним волновой процесс.

Туннельный эффект

Корпускулярно-волновой дуализм света связан со многими другими интересными явлениями. Направление действия волны де Бройля проявляется при так называемом туннельном эффекте, то есть при проникновении фотонов через энергетический барьер. Это явление обусловлено превышением среднего значения импульсом частицы в момент пучности волны. При помощи туннелирования оказалась возможной разработка множества электронных приборов.

Интерференция квантов света

Современная наука говорит про интерференцию фотонов так же загадочно, как и про интерференцию электронов. Получается, что фотон, который является неделимой частицей, одновременно может пройти по любому открытому для себя пути и интерферировать сам с собой. Если учесть, что корпускулярно-волновой дуализм свойств вещества и фотон являют собой волну, которая охватывает много структурных элементов, то его делимость не исключается. Это противоречит предыдущим воззрениям на частицу как на элементарное неделимое образование. Обладая определенной массой движения, фотон формирует связанную с этим движением продольную волну, которая предшествует самой частице, так как скорость продольной волны больше, чем поперечной электромагнитной. Поэтому существуют два объяснения интерференции фотона самого с собой: частица расщепляется на две составляющие, которые и интерферируют друг с другом; волна фотона проходит по двум путям и формирует интерференционную картину. Опытным путем было обнаружено, что интерференционная картина создается и при пропускании сквозь интерферометр поочередно единичных заряженных частиц-фотонов. Этим подтверждается тезис о том, что каждый отдельный фотон интерферирует сам с собой. Особенно четко это видно при учете того, что свет (не когерентный и не монохроматичный) - это собрание фотонов, которые излучаются атомами во взаимонесвязанных и случайных процессах.

Что такое свет?

Световая волна - это электромагнитное нелокализованное поле, которое распределяется по пространству. Электромагнитное поле волны обладает объемной плотностью энергии, которая пропорциональна квадрату амплитуды. Это значит, что плотность энергии может меняться на любую величину, то есть это непрерывно. С одной стороны, свет - это поток квантов и фотонов (корпускул), которые, благодаря универсальности такого явления, как корпускулярно-волновой дуализм, представляют собой свойства электромагнитной волны. Например, в явлениях интерференции и дифракции и в масштабах свет явно демонстрирует характеристики волны. Например, одиночный фотон, как было описано выше, проходя через двойную щель, создает интерференционную картинку. При помощи экспериментов было доказано, что отдельно взятый фотон - это не электромагнитный импульс. Его нельзя разделить на пучки с делителями лучей, что показали французские физики Аспэ, Роже и Гранжье.

Свет обладает и корпускулярными свойствами, которые проявляются при эффекте Комптона и при фотоэффекте. Фотон может вести себя как частица, которая поглощается объектами целиком, размеры которых намного меньше длины его волны (например, атомным ядром). В некоторых случаях фотоны вообще можно считать точечными объектами. Нет разницы, с какой позиции рассматривать свойства света. В области цветного зрения поток света может выполнять функции и волны, и частицы-фотона как кванта энергии. Предметная точка, сфокусированная на фоторецепторе сетчатки, например, на мембране колбочки, может позволить глазу сформировать собственное отфильтрованное значение как основные спектральные лучи света и отсортировать их по длинам волн. Согласно значениям энергии квантов, в мозге предметная точка будет переведена на ощущение цвета (сфокусированное оптическое изображение).

Волновые свойства. Современник Исаака Ньютона, нидерландский физик Христиан Гюйгенс, не отвергал существования корпускул, но полагал, что они не излучаются светящимися телами, а заполняют все пространство. Процесс распространения света Гюйгенс представлял не как поступательное движение, а как последовательный процесс передачи удара одной корпускулы о другую.

Сторонники Гюйгенса высказывали мнение, что свет есть распространяющееся колебание в особой среде - "эфире", которым заполнено все мировое пространство и который свободно проникает во все тела. Световое возбуждение от источника света передается эфиром во все стороны.

Так возникли первые волновые представления о природе света. Основную ценность начальной волновой теории света представляет принцип, первоначально сформулированный Гюйгенсом, а затем развитый Френелем. Принцип Гюйгенса - Френеля утверждает, что каждая почка, до которой дошло световое возбуждение, в свою очередь становится центром вторичных волн и передает их во все стороны соседним почкам.

Наиболее наглядно волновые свойства света проявляются в явлениях интерференции и дифракции.

Интерференция света заключается в том, что при взаимном нахождении двух волн может происходить усиление или ослабление колебаний. Принцип интерференции был открыт в 1801 г. англичанином Томасом Юнгом (1773-1829), врачом по профессии. Юнг провел ставший теперь классическим опыт с двумя отверстиями. На экране кончиком булавки прокалывались два близко расположенных отверстия, которые освещались солнечным светом из небольшого отверстия в зашторенном окне. За экраном наблюдалась вместо двух ярких то-1ек серия чередующихся темных и светлых колец.

Необходимым условием наблюдения интерференционной картины является когерентность волн (согласованное протекание колебательных или волновых процессов).

Явление интерференции широко используется в приборах - интерферометрах, с помощью которых осуществляются различные точные измерения и производится контроль чистоты обработки поверхности деталей, а также многие другие операции контроля.

В 1818 г. Френель представил обширный доклад по дифракции света на конкурс Парижской Академии наук. Рассматривая этот доклад, А.Пуассон (1781- 1840) пришел к выводу, что по предлагаемой Френелем теории при определенных условиях в центре дифракционной картины от непрозрачного круглого препятствия на пути света должно быть светлое пятно, а не тень. Это было ошеломляющее заключение. Д.Ф.Араго (1786-1853) тут же поставил опыт, и расчеты Пуассона подтвердились. Так противоречащее внешне теории Френеля заключение, сделанное Пуассоном, превратилось с помощью опыта Араго в одно из доказательств ее справедливости, а также положило начало признанию волновой природы света.

Явление отклонения света от прямолинейного направления распространения называется дифракцией.

На явлении дифракции основаны многие оптические приборы. В частности, в кристаллографической аппаратуре используется дифракция рентгеновских лучей.

Волновую природу света и поперечность световых волн доказывает, кроме того, и явление поляризации. Сущность поляризации наглядно демонстрирует простой опыт: при пропускании света через два прозрачных кристалла его интенсивность зависит от взаимной ориентации кристаллов. При одинаковой ориентации свет проходит без ослабления. При повороте одного из кристаллов на 90° свет полностью гасится, т.е. не проходит через кристаллы.

Волновую природу света подтверждает и явление дисперсии света. Узкий параллельный пучок белого света при прохождении через стеклянную призму разлагается на пучки света разного цвета. Цветную полоску называют сплошным спектром. Зависимость скорости распространения света в среде от длины волны называется дисперсией света. Дисперсия была открыта И.Ньютоном.

Разложение белого света объясняется тем, что он состоит из электромагнитных волн с разной длиной волны и показатель преломления зависит от длины волны. Наибольшее значение показателя преломления для света с самой короткой длиной волны - фиолетового, наименьшее для самого длинноволнового света - красного. Опыты показали, что в вакууме скорость света одинакова для света с любой длиной волны.

Изучение явлений дифракции, интерференции, поляризации и дисперсии света привело к утверждению волновой теории света.

Квантовые свойства света. В 1887 г. Г. Герц при освещении цинковой пластины, соединенной со стержнем электрометра, обнаружил явление фотоэлектрического эффекта. Если пластине и стержню передан положительный заряд, то электрометр не разряжается при освещении пластины. При сообщении пластине отрицательного электрического заряда электрометр разряжается, как только на пластину попадает излучение. Этот опыт доказывает, что с поверхности металлической пластины под действием света вырываются отрицательные центрические заряды. Измерение заряда и массы частиц, вырываемых светом, показало, что эти частицы - электроны. Явление испускания электронов веществом под действием электромагнитного излучения называется фотоэффектом.

Количественные закономерности фотоэлектрического эффекта были установлены в 1888- 1889 гг. русским физиком А.Г. Столетовым (1839- 1896).

Объяснить основные законы фотоэффекта на основе электромагнитной теории света не удалось. Электромагнитная теория света не могла объяснить независимость энергии фотоэлектронов от интенсивности светового излучения, существования красной границы фотоэффекта, пропорциональность кинетической энергии, фотоэлектронов частоте света.

Электромагнитная теория Максвелла и электронная теория Лоренца несмотря на свои огромные успехи были несколько противоречивы и при ах применении встречался ряд затруднений. Обе теории основывались на гипотезе об эфире, только "упругий эфир" был заменен "эфиром электромагнитным" (теория Максвелла) или "неподвижным эфиром" (теория Лоренца). Теория Максвелла не смогла объяснить процессы испускания и поглощения света, фотоэлектрического эффекта, комптоновского рассеяния и т. д. Теория Лоренца в свою очередь не смогла объяснить многие явления, связанные с взаимодействием света с веществом, в частности вопрос о распределении энергии по длинам волн при тепловом излучении Абсолютно черного тела.

Перечисленные затруднения и противоречия были преодолены благодаря смелой гипотезе, высказанной в 1900 г. немецким физиком М. Планком, согласно которой излучение света происходит не непрерывно, а дискретно, т. е. определенными порциями (квантами), энергия которых определяется частотой n:

где h - постоянная Планка.

Теория Планка не нуждается в понятии об эфире. Она объяснила тепловое излучение абсолютно черного тела.

А.Эйнштейн в 1905 г. создал квантовую теорию света: не только излучение света, но и его распространение происходят в виде потока световых квантов - фотонов, энергия которых определяется приведенной выше формулой Планка, а импульс

где l - длина волны.

Наиболее полно квантовые свойства электромагнитных волн проявляются в эффекте Комптона: при рассеянии монохроматического рентгеновского излучения веществом с легкими атомами в составе рассеянного излучения наряду с излучением, характеризующимся первоначальной длиной волны, наблюдается излучение с более длинной волной.

Квантовые представления о свете хорошо согласуются с законами излучения и поглощения света, законами взаимодействия, излучения с веществом. Такие хорошо изученные явления, как интерференция, дифракция и поляризация света, хорошо объясняются в рамках волновых представлений. Все многообразие изученных свойств и законов распространения света, его взаимодействия с веществом показывает, что свет имеет сложную природу: он представляет собой единство противоположных свойств - корпускулярного (квантового) и волнового (электромагнитного). Длительный путь развития привел к современным представлениям о двойственной корпускулярно-волновой природе света. Приведенные выше выражения связывают корпускулярные характеристики излучения - массу и энергию кванта - с волновыми - частотой колебаний и длиной волны. Таким образом, свет представляет собой единство дискретности и непрерывности.

Вопросы для самопроверки

Вопрос 1. Назовите важнейшую задачу естествознания.

1. познавательная

2. мировоззренческая

3. телеологическая

4. создание естественнонаучной картины мира

Вопрос 2. Назовите наиболее общие, важные фундаментальные концепции физического описания природы.

1. материя

2. движение

3. пространство

Вопрос 3. Назовите философскую категорию для обозначения объективной реальности, которая отображается нашими ощущениями, существуя независимо от них.

1. сознание

2. отображение

3. материя

Волновые и корпускулярные свойства света - страница №1/1

ВОЛНОВЫЕ И КОРПУСКУЛЯРНЫЕ СВОЙСТВА СВЕТА

© Моисеев Б.М., 2004

Костромской государственный университет
Улица 1 Мая, 14, Кострома, 156001, Россия
E-mail: [email protected] ; [email protected]

Логически выводится возможность рассматривать свет как периодическую последовательность возбуждений физического вакуума. Как следствие такого подхода разъясняется физическая природа волновых и корпускулярных свойств света.

A logical conclusion of the possibility to regard light as a period sequence of physical vacuum excitements is given in the article. As a consequence of such approach the physical nature of wave and corpuscular characteristics of light are explained here.

Введение

Многовековые попытки понять физическую природу световых явлений были прерваны в начале XX столетия введением дуальных свойств материи в аксиоматику теории. Свет стали считать и волной, и частицей одновременно. Однако, модель кванта излучения была построена формально, и до сих пор нет однозначного понимания физической природы кванта излучения.

Данная работа посвящена формированию новых теоретических представлений о физической природе света, которые должны объяснить качественно волновые и корпускулярные свойства света. Ранее в были опубликованы основные положения развиваемой модели и полученные в рамках этой модели результаты:

1. Фотон – это совокупность элементарных возбуждений вакуума, распространяющихся в пространстве в виде цепочки возбуждений с постоянной относительно вакуума скоростью, не зависящей от скорости источника света. Для наблюдателя скорость фотона зависит от скорости наблюдателя относительно вакуума, моделируемого логически как абсолютное пространство .

2. Элементарное возбуждение вакуума – это пара фотов, диполь, образованный двумя (+) и (–) заряженными частицами. Диполи вращаются и имеют вращательный момент импульса, в совокупности составляя спин фотона. Радиус вращения фотов и угловая скорость связаны зависимостью Rω = const .

3. Фотоны можно представить как тонкие длинные цилиндрические иглы. Воображаемые поверхности цилиндров-игл образованы спиральными траекториями фотов. Чем больше частота вращения, тем тоньше игла-фотон. Один полный оборот пары фотов определяет в пространстве вдоль направления движения длину волны .

4. Энергия фотона определяется количеством пар фотов n в одном фотоне: ε = nh Э, где h Э – величина, равная постоянной Планка в единицах энергии .

5. Получено количественное значение спина фотона ћ. Проведен анализ связи энергетических и кинематических параметров фотона. В качестве примера вычислены кинематические параметры фотона, получаемого при переходе 3d2p в атоме водорода. Длина фотона видимой части спектра составляет метры .

6. Вычислена масса пары фотов m 0 = 1,474·10 –53 г, совпадающая по порядку величины с верхней оценкой массы фотона m 

7. Получен вывод об изменении констант C и h при движении фотона в гравитационном поле .

Из периодической структуры фотона интуитивно ясна причина волновых свойств света: математика волны, как процесса механического колебания физической среды, и математика периодического процесса любой качественной природы, – совпадают. В работах дано качественное объяснение волновых и корпускулярных свойств света. В данной статье продолжается развитие представлений о физической природе света.

Волновые свойства света

Как было отмечено ранее , элементы периодичности, связанные с физической природой света, вызывают проявление волновых свойств. Проявление волновых свойств у света установлено многочисленными наблюдениями и экспериментами, и потому не может вызывать сомнений. Разработана математическая волновая теория эффекта Доплера, интерференции, дифракции, поляризации, дисперсии, поглощения и рассеяния света. Волновая теория света органично связана с геометрической оптикой: в пределе, при  → 0, законы оптики можно сформулировать на языке геометрии.

Наша модель не отменяет математический аппарат волновой модели. Основная цель и главный результат нашей работы – внесение таких изменений в аксиоматику теории, которые углубляют понимание физической сущности явления, устраняют парадоксы.

Главный парадокс современных представлений о свете – корпускулярно-волновой дуализм (КВД). В соответствии с законами формальной логики свет не может быть одновременно и волной, и частицей в традиционном понимании этих терминов. Понятие волны предполагает континуум, однородную среду, в которой возникают периодические возмущения элементов континуума. Понятие частицы предполагает изолированность и автономность отдельных элементов. Физическая интерпретация КВД не так проста.

Совмещение корпускулярной и волновой моделей по принципу “волна – это возмущение совокупности частиц” вызывает возражение, т.к. считается твердо установленным наличие волновых свойств у отдельной, единственной частицы света. Интерференцию редко летящих фотонов обнаружил Яноши , но количественных результатов, деталей и подробного анализа эксперимента в учебном курсе нет. Информация о столь важных, основополагающих результатах отсутствует и в справочных изданиях , и в курсе истории физики . Видимо, вопрос о физической природе света – это уже глубокий тыл науки.

Попытаемся реконструировать логически существенные для интерпретации результатов количественные параметры опыта Яноши по скупому описанию аналогичных опытов Бибермана, Сушкина и Фабриканта с электронами . Очевидно, в опыте Яноши сравнивалась интерференционная картина, полученная от короткого светового импульса большой интенсивности J Б с картиной, полученной за длительное время от слабого потока фотонов J М. Существенное различие двух рассматриваемых ситуаций в том, что в случае потока J М взаимодействие фотонов в пределах дифракционного прибора должно быть исключено.

Поскольку Яноши не обнаружил различия в интерференционных картинах, посмотрим, какие для этого необходимы условия в рамках нашей модели.

Фотон длиной L ф = 4,5 м проходит заданную точку пространства за время τ = L ф / C = 4,5 /3ּ10 8 ≈ 1,5ּ10 –8 с. Если дифракционная система (прибор) имеет размер порядка 1 м, то время прохождения прибора фотоном длины L ф будет больше: τ’ = (L ф + 1) / C ≈ 1,8ּ10 –8 с.

Единичные фотоны сторонний наблюдатель увидеть не может. Попытка зафиксировать фотон уничтожает его – другого варианта “увидеть” электрически нейтральную частицу света не существует. В эксперименте используют усредненные по времени свойства света, в частности, интенсивность (энергию в единицу времени). Чтобы фотоны не пересекались в пределах дифракционного прибора, необходимо так разделить их в пространстве вдоль траектории движения, чтобы время прохождения прибора τ’ было меньше времени t, разделяющего приход очередных фотонов к установке, т. е. τ’ 1,8ּ10 –8 с.

В опытах с электронами средний промежуток времени между двумя последовательно проходящими через дифракционную систему частицами был примерно в 3ּ10 4 раз больше времени, затрачиваемого одним электроном на прохождение всего прибора . Для точечных частиц это отношение убедительно.

Опыт со светом имеет существенное отличие от опыта с электронами. Если единственность электронов за счет незначительного искажения их энергии можно контролировать, то с фотонами это невозможно. В опыте с фотонами убежденность в изолированности фотонов в пространстве не может быть полной; статистически возможен приход двух фотонов практически одновременно. Это может дать слабую интерференционную картину за длительное время наблюдения.

Результаты опытов Яноши бесспорны, однако, такое заключение нельзя сделать о теории опыта. В теории фактически постулируется, что интерференционная картина возникает исключительно как результат взаимодействия частиц между собой на поверхности экрана. В случае сильных световых потоков и наличия многих частиц это интуитивно наиболее вероятная причина появления интерференции, но для слабых световых потоков существенной может стать и другая причина появления периодичности в освещении экрана. Свет меняет направление при взаимодействии с твердым телом. Края щели, штрихи дифракционной решетки и прочие препятствия, вызывающие дифракцию – это поверхность, далекая от идеала не только в смысле чистоты обработки поверхности. Атомы поверхностного слоя – это периодическая структура с периодом, сравнимым с размерами атома, т. е. периодичность имеет ангстремный порядок. Расстояние между парами фотов внутри фотона L 0 ≈ 10 –12 см , что на 4 порядка меньше. Отражение пар фотов от периодической структуры поверхности должно вызывать на экране повторяемость освещенных и неосвещенных мест.

Неравноправие направлений распространения отраженного света должно быть всегда, при отражении от любой поверхности, но при сильных световых потоках существенны только усредненные характеристики, и этот эффект не проявляется. Для слабых световых потоков это может привести к освещенности экрана, напоминающей интерференцию.

Поскольку размеры электрона также много меньше размеров периодической структуры поверхности тела, для электронов также должно возникать неравноправие направлений дифрагирующих частиц, и для слабых потоков электронов это может быть единственной причиной проявления волновых свойств.

Таким образом, наличие волновых свойств у частиц, будь то фотоны или электроны, может быть объяснено наличием волновых свойств отражающей или преломляющей поверхности дифракционного прибора.

Для возможного экспериментального подтверждения (или опровержения) этой гипотезы можно предсказать некоторые эффекты.

Эффект 1

Для сильных световых потоков основная причина интерференционных свойств света – периодическая структура самого света, – протяженного фотона. Пары фотов от разных фотонов либо усиливают друг друга на экране при совпадении фазы (векторы r между центрами фотов взаимодействующих пар совпадают по направлению), либо ослабляют в случае несовпадения фазы (векторы r между центрами фотов не совпадают по направлению) . В последнем случае пары фотов от разных фотонов не вызывают совместного одновременного действия, но они попадают в те места экрана, где наблюдается спад освещенности.

Если экран – прозрачная пластинка, то можно наблюдать следующий эффект: минимуму в отраженном свете соответствует максимум в прошедшем свете. В места, где в отраженном свете наблюдается минимум освещенности, свет также попадает, но он в этих местах не отражается, а проходит внутрь пластинки.

Взаимная дополнительность отраженного и прошедшего сквозь пластинку света в явлении интерференции – известный факт, описываемый в теории хорошо разработанным формально-математическим аппаратом волновой модели света. В частности, при отражении в теории вводится потеря полуволны, и это “объясняет” разницу фаз прошедшей и отраженной компонент.

В нашей модели новым является объяснение физической природы этого явления. Мы утверждаем, что для слабых световых потоков, когда исключено взаимодействие фотонов в пределах дифракционного прибора, существенной причиной формирования интерференционной картины будет не периодическая структура самого света, а периодическая структура поверхности устройства, вызывающего дифракцию. В этом случае уже не будет взаимодействия пар фотов от разных фотонов на поверхности экрана, и интерференция должна проявляться в том, что в тех местах, куда свет попадает, будет максимум освещенности, в других местах его не будет. В места с минимумом освещенности свет не будет попадать совсем, и это можно будет проверить отсутствием взаимной дополнительности интерференционной картины для отраженного и прошедшего света .

Эффект 2

Другая возможность проверки рассматриваемого предсказания и нашей гипотезы в целом заключается в том, что для слабых световых потоков дифракционный прибор из другого материала , отличающегося другой поверхностной плотностью атомов, должен давать другую интерференционную картину для того же светового потока . Это предсказание также принципиально проверяемо.

Эффект 3

Атомы поверхности отражающего тела участвуют в тепловом движении, узлы кристаллической решетки совершают гармонические колебания. Повышение температуры кристалла должно приводить к размыванию интерференционной картины в случае слабых световых потоков , т. к. в этом случае интерференция зависит только от периодической структуры отражающей поверхности. Для сильных световых потоков влияние температуры дифракционного прибора на интерференционную картину должно быть слабее, хотя оно не исключается, т. к. тепловые колебания узлов кристаллической решетки должны нарушать условие когерентности отраженных пар фотов от разных фотонов. Это предсказание также принципиально проверяемо.

Корпускулярные свойства света

В публикациях нами предложен термин “структурная модель фотона”. Анализируя сегодня комбинацию слов, заключенных в кавычки, необходимо признать ее крайне неудачной. Дело в том, что в нашей модели фотон как локализованная частица не существует. Квант лучистой энергии, отождествляемый в современной теории с фотоном, в нашей модели – совокупность возбуждений вакуума, названных парами фотов. Возбуждения распределены в пространстве вдоль направления движения. Несмотря на огромную для масштабов микромира протяженность, ввиду малости временного интервала, в течение которого такая совокупность пар пролетает мимо любого микрообъекта или налетает на него, а также ввиду относительной инерционности объектов микромира, кванты могут поглощаться этими микрообъектами целиком. Квант-фотон воспринимается как отдельная частица только в процессе такого взаимодействия с микрообъектами, когда эффект от взаимодействия микрообъекта с каждой парой фотов может накапливаться, например, в виде возбуждения электронной оболочки атома или молекулы. Свет проявляет корпускулярные свойства в процессе такого взаимодействия, когда существенным, модельно осознаваемым, теоретически учитываемым фактором является излучение или поглощение некоторого дискретного количества световой энергии.

Даже формальное представление о квантах энергии позволило Планку объяснить особенности излучения абсолютно черного тела, а Эйнштейну понять суть фотоэффекта. Представление о дискретных порциях энергии помогло по-новому описать такие физические явления, как давление света, отражение света, дисперсию – то, что уже было описано на языке волновой модели. Представление о дискретности энергии, а не представление о точечных частицах-фотонах – вот что реально существенно в современной корпускулярной модели света. Дискретность кванта энергии позволяет объяснить спектры атомов и молекул, но локализация энергии кванта в одной изолированной частице вступает в противоречие с тем экспериментальным фактом, что время излучения и время поглощения кванта энергии атомом достаточно велико по масштабам микромира – порядка 10 –8 с. Если квант – локализованная точечная частица, то что тогда происходит с этой частицей за время 10 –8 с? Введение в физическую модель света протяженного кванта-фотона дает возможность качественного понимания не только процессов излучения и поглощения, но и корпускулярных свойств излучения в целом.

Количественные параметры фотов

В нашей модели основным объектом рассмотрения является пара фотов. По сравнению с размерами фотона (продольные размеры для видимого света – метры) возбуждение вакуума в виде пары фотов можно считать точечным (продольный размер – порядка 10 –14 м) . Оценим количественно некоторые параметры фотов. Известно, что при аннигиляции электрона и позитрона рождаются γ-кванты. Пусть рождается два γ-кванта. Оценим верхнюю границу их количественных параметров, предполагая энергию электрона и позитрона равной энергии покоя этих частиц:

. (1)

Количество появившихся пар фотов равно:

. (2)

Суммарный заряд всех (–) фотов равен –e, где e – заряд электрона. Суммарный заряд всех (+) фотов равен +e. Вычислим модуль заряда, переносимого одним фотом:

Кл. (3)

Приближенно, не учитывая динамическое взаимодействие движущихся зарядов, можно считать, что в качестве центростремительной силы вращающейся пары фотов выступает сила их электростатического взаимодействия. Так как линейная скорость вращающихся зарядов равна C , получаем (в системе СИ):

, (4)

где m 0 / 2 = h Э / C 2 – масса одного фота . Из (4) получаем выражение для радиуса вращения центров зарядов фотов:

м. (5)

Рассматривая “электрическое” сечение фотона как площадь окружности S радиуса R Эл, получаем:

В работе приводится формула для расчета сечения фотона в рамках КЭД:

, (7)

где σ измеряется в см 2 . Считая ω = 2πν, а ν = n (без учета размерности), получаем оценку сечения по методике КЭД:

. (8)

Различие с нашей оценкой сечения фотона составляет 6 порядков, или примерно 9%. При этом необходимо отметить, что наш результат для сечения фотона ~10 –65 см 2 получен в качестве верхней оценки, для аннигиляции неподвижных частиц, а реальные электрон и позитрон имеют энергию движения. С учетом кинетической энергии сечение должно быть меньше, т. к. в формуле (1) энергия частиц, переходящая в излучение, будет больше, а, следовательно, будет больше количество пар фотов. Расчетное значение заряда одного фота получится меньше (формула 3), следовательно, R Эл (формула 5) и сечение S (формула 6) будут меньше. Учитывая это, следует признать нашу оценку сечения фотона приближенно совпадающей с оценкой КЭД.

Заметим, что удельный заряд фота совпадает с удельным зарядом электрона (позитрона):

. (9)

Если фот (как и электрон) имеет гипотетический “керн”, в котором сосредоточен его заряд, и “шубу” из возмущенного физического вакуума, то “электрическое” сечение пары фотов не должно совпадать с “механическим” сечением. Пусть центры масс фотов вращаются по окружности радиуса R Мех со скоростью C. Поскольку C = ωR Мех, получаем:

. (10)

Таким образом, длина окружности, по которой совершают вращательное движение центры масс фотов, равна длине волны, что совершенно естественно при равенстве поступательной и вращательной скоростей в нашей интерпретации понятия “длина волны”. Но в этом случае получается, что для фотонов, получаемых в результате рассмотренной выше аннигиляции, R Мех ≈ 3,8∙10 –13 м ≈ 10 22 ∙R Эл. Шуба возмущенного вакуума, окружающая керны фотов, имеет гигантские по сравнению с самим керном размеры.

Разумеется, все это достаточно приблизительные оценки. Любая новая модель не может конкурировать по точности с уже существующей моделью, достигшей своего рассвета. Например, когда появилась гелиоцентрическая модель Коперника, еще около 70 лет практические астрономические расчеты выполнялись в соответствии с геоцентрической моделью Птолемея, т. к. это приводило к более точному результату.

Введение в науку моделей на принципиально новом базисе – это не только столкновение с субъективной оппозицией, но и объективная потеря точности расчетов и предсказаний. Возможны и парадоксальные результаты. Полученное отношение порядков ~10 22 между электрическим и механическим радиусами вращения фотов – это не только неожиданно, но и пока физически непонятно. Единственная возможность хоть как-то осознать полученное отношение – считать, что вращение пары фотов имеет вихревой характер, т. к. в этом случае при равенстве линейных скоростей разноудаленных от центра вращения компонентов их угловые скорости должны быть разными.

Интуитивно, вихревой характер вращения объемной структуры из тонкой среды – физического вакуума, даже более понятен, чем представление о вращении пары фотов, напоминающем вращение твердого тела. Анализ вихревого движения должен в дальнейшем привести к новому качественному пониманию рассматриваемого процесса.

Результаты и выводы

В работе продолжено развитие представлений о физической природе света. Проанализирована физическая природа корпускулярно-волнового дуализма. Предсказаны принципиально проверяемые эффекты в опытах по интерференции и дифракции слабых световых потоков. Выполнены количественные расчеты механических и электрических параметров фотов. Рассчитано поперечное сечение пары фотов и сделан вывод о вихревой структуре пары.

Литература

1. Моисеев Б.М. Структура фотона. – Деп. в ВИНИТИ 12.02.98, № 445 – В98.

2. Моисеев Б.М. Масса и энергия в структурной модели фотона. – Деп. в ВИНИТИ 01.04.98, № 964 – В98.

3. Моисеев Б.М. О полной энергии и массе тела в состоянии движения. – Деп. в ВИНИТИ 12.05.98, № 1436 – В98.

4. Моисеев Б.М. Фотон в гравитационном поле. – Деп. в ВИНИТИ 27.10.99, № 3171 – В99.

5. Моисеев Б.М. Моделирование структуры фотона. – Кострома: Изд-во КГУ им. Н.А. Некрасова, 2001.

5. Моисеев Б.М. Микроструктура фотона // Труды Конгресса-2002 “Фундаментальные проблемы естествознания и техники”, часть III, С. 229–251. – СПб, Изд-во СпбГУ, 2003.

7. Phys. Rev. Lett. 90 081 801 (2003). http://prl.aps.org

8. Сивухин Д.В. Атомная и ядерная физика. В 2-х ч. Ч. 1. Атомная физика. – М.: Наука, 1986.

9. Физический энциклопедический словарь. В 5 т. – М.: Советская энциклопедия, 1960–66.

10. Физика. Большой энциклопедический словарь. – М.: Большая Российская энциклопедия, 1999.

11. Кудрявцев П.С. Курс истории физики. – М.: Просвещение, 1974.

12. Ахиезер А.И. Квантовая электродинамика / А.И. Ахиезер, В.В. Берестецкий – М.: Наука, 1981.

В 1900 г. была опубликована работа М. Планка , посвященная проблеме теплового излучения тел. М. Планк моделировал вещество как совокупность гармонических осцилляторов различной частоты. Предположив, что излучение происходит не непрерывно, а порциями - квантами, он получил формулу для распределения энергии по спектру теплового излучения, которая хорошо согласовывалась с опытными данными

где h - постоянная Планка, k - постоянная Больцмана , T - температура, ν - частота излучения.

Так, впервые в физике появилась новая фундаментальная константа - постоянная Планка. Гипотеза Планка о квантовой природе теплового излучения противоречит основам классической физики и показала границы ее применимости.
Через пять лет А. Эйнштейн , обобщив идею М. Планка, показал, что квантованность является общим свойством электромагнитного излучения. Согласно Эйнштейну электромагнитное излучение состоит из квантов, названных позднее фотонами. Каждый фотон имеет определенную энергию и импульс:

E = hν , = (h/λ ),

где λ и ν - длина волны и частота фотона, - единичный вектор в направлении распространения волны.

Представления о квантованности электромагнитного излучения позволили объяснить закономерности фотоэффекта, исследованные экспериментально Г. Герцем и А. Столетовым . На основе квантовой теории А. Комптоном в 1922 году было объяснено явление упругого рассеяния электромагнитного излучения на свободных электронах, сопровождающееся увеличением длины волны света. Открытие двойственной природы электромагнитного излучения - корпускулярно-волнового дуализма оказало значительное влияние на развитие квантовой физики, объяснение природы материи.

В 1924 г. Луи де Бройль выдвинул гипотезу об универсальности корпускулярно-волнового дуализма. Согласно этой гипотезе не только фотоны, но и любые другие частицы материи наряду с корпускулярными обладают также и волновыми свойствами. Соотношения, связывающие корпускулярные и волновые свойства частиц, те же, что были установлены ранее для фотонов

E = h = ω , = , |p| = h/λ /,

где h = 2π , ω = 2πν , = 2π - длина волны (де Бройля), которую можно сопоставить с частицей. Волновой вектор ориентирован по направлению движения частицы. Прямыми опытами, подтверждающими идею корпускулярно-волнового дуализма частиц, были опыты, выполненные в 1927 году К. Дэвиссоном и Л. Джермером по дифракции электронов на монокристалле никеля. Позднее наблюдалась дифракция и других микрочастиц. Метод дифракции частиц в настоящее время широко используется в изучении строения и свойств вещества.
Экспериментальное подтверждение идеи корпускулярно-волнового дуализма привело к пересмотру привычных представлений о движении частиц и способа описания частиц. Для классических материальных точек характерно движение по определенным траекториям, так, что их координаты и импульсы в любой момент времени точно известны. Для квантовых частиц это утверждение неприемлемо, так как для квантовой частицы импульс частицы связан с ее длиной волны, а говорить о длине волны в данной точке пространства бессмысленно. Поэтому для квантовой частицы нельзя одновременно точно определить значения ее координат и импульса. Если частица занимает точно определенное положение в пространстве, то ее импульс полностью неопределен и наоборот, частица с определенным импульсом имеет полностью неопределенную координату. Неопределенность в значении координаты частицы Δ x и неопределенность в значении компоненты импульса частицы Δ p x связаны соотношением неопределенности, установленным