От каких параметров зависят корпускулярные свойства света. Волновая и корпускулярная теории

ВОЛНОВЫЕ И КОРПУСКУЛЯРНЫЕ СВОЙСТВА СВЕТА

Костромской государственный университет
Улица 1 Мая, 14, Кострома, Россия
E-mail: *****@; *****@***

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 . 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 = nhЭ, где hЭ – 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 m0 = 1,474·10–53 г, совпадающая по порядку величины с верхней оценкой массы фотона mg < 10–51 г . Простые вычисления показывают, что частица с массой mg не может быть массой фотона, отождествляемого с квантом энергии излучения. Возможно, пары фотов – это “виртуальные фотоны”, ответственные за электромагнитное взаимодействие в современной теории.

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 l → 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 JБ с картиной, полученной за длительное время от слабого потока фотонов JМ. Существенное различие двух рассматриваемых ситуаций в том, что в случае потока JМ 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 Lф = 4,5 м проходит заданную точку пространства за время τ = Lф / C = 4,5 /3ּ108 ≈ 1,5ּ10–8 с. Если дифракционная система (прибор) имеет размер порядка 1 м, то время прохождения прибора фотоном длины Lф будет больше: τ’ = (Lф + 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’ < t, или t > 1,8ּ10–8 с.

В опытах с электронами средний промежуток времени между двумя последовательно проходящими через дифракционную систему частицами был примерно в 3ּ104 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 L0 ≈ 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.

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 .

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.

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:

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):

где m0 / 2 = hЭ / C2 – масса одного фота . Из (4) получаем выражение для радиуса вращения центров зарядов фотов:

м. (5)

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

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

где σ измеряется в см2. 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 см2 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, RЭл (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 RМех со скоростью C. Поскольку C = ωRМех, 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, RМех ≈ 3,8∙10–13 м ≈ 1022∙RЭл. 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 ~1022 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 фотона. – Деп. в ВИНИТИ 12.02.98, № 000 – В98.

2. Моисеев и энергия в структурной модели фотона. – Деп. в ВИНИТИ 01.04.98, № 000 – В98.

3. О полной энергии и массе тела в состоянии движения. – Деп. в ВИНИТИ 12.05.98, № 000 – В98.

4. Моисеев в гравитационном поле. – Деп. в ВИНИТИ 27.10.99, № 000 – В99.

5. Моисеев структуры фотона. – Кострома: Изд-во КГУ им. , 2001.

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

7. Phys. Rev. Lett.3). http://prl. aps. org

8. Сивухин 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 истории физики. – М.: Просвещение, 1974.

12. Ахиезер электродинамика / , – М.: Наука, 1981.

В 20-х годах XX столетия было установлено, что любая частица имеет корпускулярно-волновую природу. Согласно теории Л. де Бройля (1924 г.), каждой частице с импульсом соответствует волновой процесс с длиной волны λ, т.е. λ = h / p . Чем меньше масса частицы, тем больше длина волны. Для элементарных частиц В. Гейзенберг сформулировал принцип неопределенности, согласно которому невозможно одновременно определить положение частицы в пространстве и ее импульс. Следовательно, нельзя рассчитать траекторию движения электрона в поле ядра, можно лишь оценить вероятность его нахождения в атоме с помощью волновой функции ψ, которая заменяет классическое понятие траектории. Волновая функция ψ характеризует амплитуду волны в зависимости от координат электрона, а ее квадрат ψ 2 определяет пространственное распределение электрона в атоме. В наиболее простом варианте волновая функция зависит от трех пространственных координат и дает возможность определить вероятность нахождения электрона в атомном пространстве или его орбиталь . Таким образом, атомная орбиталь (АО) – область атомного пространства, в котором вероятность нахождения электрона наибольшая. Волновые функции получаются при решении основополагающего соотношения волновой механики – уравнения Шредингера. (Точное решение получается для атома водорода или водородоподобных ионов, для многоэлектронных систем используются различные приближения). Поверхность, ограничивающая 90–95 % вероятности нахождения электрона или электронной плотности, называют граничной. Атомная орбиталь и плотность электронного облака имеют одинаковую граничную поверхность (форму) и одинаковую пространственную ориентацию. Атомные орбитали электрона, их энергия и направление в пространстве зависят от четырех параметров – квантовых чисел .

Программа представляет компьютерный эксперимент по прохождению электронного пучка через одну или две щели. Она позволяет познакомиться с проявлением двойственной природы микрообъектов, то есть наличием у них волновых и корпускулярных свойств. Иллюстрируется принцип неопределенности Гейзенберга.

Известно, что свет обладает как волновыми, так и корпускулярными свойствами. Волновые свойства проявляются при распространении света (интерференция, дифракция). Корпускулярные свойства проявляются при взаимодействии света с веществом (фотоэффект, излучение и поглощение света атомами).

Свойства фотона как частицы (энергия E и импульс p ) связаны с его волновыми свойствами (частотой ν и длиной волны λ) соотношениями

где h = 6,63·10 –34 Дж∙c – постоянная Планка.

Французский физик Луи де Бройль в 1924 г. высказал предположение, что сочетание волновых и корпускулярных свойств присуще не только свету, но и любому материальному телу. Согласно де Бройлю, каждому телу массой m , движущемуся со скоростью v , соответствует волновой процесс с длиной волны

Наиболее отчетливо волновые свойства проявляются у элементарных частиц. Это происходит потому, что из-за малой массы частиц длина волны оказывается сравнимой с расстоянием между атомами в кристаллических решетках. В этом случае при взаимодействии пучка частиц с кристаллической решеткой возникает дифракция . Например, электронам с энергией 150 эВ соответствует длина волны λ ≈ 10 –10 м. Такого же порядка межатомные расстояния в кристаллах. Поэтому пучок электронов будет рассеиваться на кристалле как волна, т. е. по законам дифракции.

Для иллюстрации волновых свойств частиц часто используют мысленный эксперимент – прохождение пучка электронов (или других частиц) через щель шириной Δx . С точки зрения волновой теории после дифракции на щели пучок будет уширяться с угловой расходимостью θ ≈ λ / Δx . С корпускулярной точки зрения уширение пучка после прохождения щели объясняется появлением у частиц некоторого поперечного импульса. Разброс значений этого поперечного импульса («неопределенность») есть

Соотношение

Δp x Δx ≈ h

носит название соотношения неопределенностей . Это соотношение на корпускулярном языке выражает наличие волновых свойств у частиц.

Эксперимент по прохождению пучка электронов через две близко расположенные щели может служить еще более яркой иллюстрацией волновых свойств частиц. Этот эксперимент является аналогом оптического интерференционного опыта Юнга .

Введение 2

1. Волновые свойства света 3

1.1 Дисперсия 3

1.2 Интерференция 5

1.3 Дифракция. Опыт Юнга 6

1.4 Поляризация 8

2. Квантовые свойства света 9

2.1 Фотоэффект 9

2.2 Эффект Комптона 10

Заключение 11

Список использованной литературы 11

Введение

Первые представления древних ученых о том, что такое свет, были весьма наивны. Существовало несколько точек зрения. Одни считали, что из глаз выходят особые тонкие щупальца и зрительные впечатления возникают при ощупывании ими предметов. Эта точка зрения имела большое число последователей, среди которых был Эвклид, Птолемей и многие другие ученые и философы. Другие, наоборот, считали, что лучи испускаются светящимся телом и, достигая человеческого глаза, несут на себе отпечаток светящегося предмета. Такой точки зрения придерживались Лукреций, Демокрит.

В это же время Эвклидом был сформулирован закон прямолинейного распространения света. Он писал: “Испускаемые глазами лучи распространяются по прямому пути”.

Однако позже, уже в средние века, такое представление о природе света теряет свое значение. Все меньше становится ученых, следующих этим взглядам. И к началу XVII в. эти точки зрения можно считать уже забытыми.

В 17 веке почти одновременно возникли и начали развиваться две совершенно разные теории о том, что такое свет и какова его природа.

Одна из этих теорий связана с именем Ньютона, а другая с именем Гюйгенса.

Ньютон придерживался так называемой корпускулярной теории света, согласно которой свет это поток частиц, идущих от источника во все стороны (перенос вещества).

Согласно же представлениям Гюйгенса, свет это поток волн, распространяющихся в особой, гипотетической среде эфире, заполняющем все пространство и проникающем внутрь всех тел.

Обе теории длительное время существовали параллельно. Ни одна из них не могла одержать решающей победы. Лишь авторитет Ньютона заставлял большинство ученых отдавать предпочтение корпускулярной теории. Известные в то время из опыта законы распространения света более или менее успешно объяснялись обеими теориями.

На основе корпускулярной теории было трудно объяснить, почему световые пучки, пересекаясь в пространстве, никак не действуют друг на друга. Ведь световые частицы должны сталкиваться и рассеиваться.

Волновая же теория это легко объясняла. Волны, например на поверхности воды, свободно проходят друг сквозь друга, не оказывая взаимного влияния.

Однако прямолинейное распространение света, приводящее к образованию за предметами резких теней, трудно объяснить, исходя из волновой теории. При корпускулярной же теории прямолинейное распространение света является просто следствием закона инерции.

Такое неопределенное положение относительно природы света сохранялось до начала XIX века, когда были открыты явления дифракции света (огибания светом препятствий) и интерференция света (усиление или ослабление освещенности при наложении световых пучков друг на друга). Эти явления присуще исключительно волновому движению. Объяснить их с помощью корпускулярной теории нельзя. Поэтому казалось, что волновая теория одержала окончательную и полную победу.

Такая уверенность особенно окрепла, когда Максвелл во второй половине XIX века показал, что свет есть частный случай электромагнитных волн. Работами Максвелла были заложены основы электромагнитной теории света.

После экспериментального обнаружения электромагнитных волн Герцем никаких сомнений в том, что при распространении свет ведет себя как волна, не осталось.

Однако в нале XIX века представления о природе света начали коренным образом изменяться. Неожиданно выяснилось, что отвергнутая корпускулярная теория все же имеет отношение к действительности.

При излучении и поглощении свет ведет себя подобно потоку частиц.

Были обнаружены прерывистые, или, как говорят, квантовые, свойства света. Возникла необычная ситуация: явления интерференции и дифракции по-прежнему можно объяснить, считая свет волной, а явления излучения и поглощения считая свет потоком частиц. Эти два, казалось бы, несовместимых друг с другом представления о природе света в 30-х годах XX века удалось непротиворечивым образом объединить в новой выдающейся физической теории квантовой электродинамике.

1. Волновые свойства света

1.1 Дисперсия

Занимаясь усовершенствованием телескопов, Ньютон обратил внимание на то что, что изображение, даваемое объективом, по краям окрашено. Он заинтересовался этим и первый исследовал разнообразие световых лучей и проистекающие отсюда особенности цветов, каких до того никто даже не (слова из надписи на могиле Ньютона) Основной опыт Ньютона был гениально прост. Ньютон догадался направить на призму световой пучок малого поперечного сечения. Пучок солнечного света проходил в затемненную комнату через маленькое отверстие в ставне. Падая на стеклянную призму, он преломлялся и давал на противоположной стене удлиненное изображение с радужным чередованием цветов. Следуя многовековой традиции, согласно которой радуга считалась состоящей из семи основных цветов, Ньютон тоже выделил семь цветов: фиолетовый, синий, голубой, зеленый, желтый, оранжевый и красный. Саму радужную полоску Ньютон назвал спектром.

Закрывая отверстие красным стеклом, Ньютон наблюдал на стене только красное пятно, закрывая синим-синее и т.д. Отсюда следовало, что не призма окрашивает белый свет, как предполагалось раньше. Призма не изменяет цвета, а лишь разлагает его на составные части. Белый свет имеет сложную структуру. Из него можно выделить пучки различных цветов, и лишь совместное их действие вызывает у нас впечатление белого цвета. В самом деле, если с помощью второй призмы, повернутой на 180 градусов относительно первой. Собрать все пучки спектра, то опять получится белый свет. Выделив же какую-либо часть спектра, например зеленую, и заставив свет пройти еще через одну призму, мы уже не получим дальнейшего изменения окраски.

Другой важный вывод, к которому пришел Ньютон, был сформулирован им в трактате по Оптике следующим образом: Световые пучки, отличающиеся по цвету, отличаются по степени преломляемости Наиболее сильно преломляются фиолетовые лучи, меньше других красные. Зависимость показателя преломления света от его цвета носит название дисперсии (от латинского слова Dispergo-разбрасываю).

В дальнейшем Ньютон усовершенствовал свои наблюдения спектра, чтобы получить более чистые цвета. Ведь круглые цветные пятна светового пучка, прошедшего через призму, частично перекрывали друг друга. Вместо круглого отверстия использовалась узкая щель (А), освещенная ярким источником. За щелью располагалась линза (B), дающая на экране (D) изображение в виде узкой белой полоски. Если на пути лучей поместить призму (C), то изображение щели растянется в спектр, окрашенную полоску, переходы цветов, в которой от красного к фиолетовому подобны наблюдаемым в радуге. Опыт Ньютона изображен на рис.1

Если прикрыть щель цветным стеклом, т.е. если направлять на призму вместо белого света цветной, изображение щели сведется к цветному прямоугольнику, располагающему на соответствующем месте спектра, т.е. в зависимости от цвета свет будет отклоняться на различные углы от первоначального изображения. Описанное наблюдения показывает, что лучи разного цвета различно преломляются призмой.

Это важное заключение Ньютон проверил многими опытами. Важнейший из них состоял в определении и показателя преломления лучей различного цвета, выделенных из спектра. Для этой цели в экране, на котором получается спектр, прорезалось отверстие; перемещая экран, можно было выпустить через отверстие узкий пучок лучей того или иного цвета. Такой способ выделения однородных лучей более совершенен, чем выделение при помощи цветного стекла. Опыты обнаружили, что такой выделенный пучок, преломляясь во второй призме, уже не растягивает полоску. Такому пучку соответствует определенный показатель преломления, значение которого зависит от цвета выделенного пучка.

Таким образом, в основных опытах Ньютона заключались два важных открытия:

1.Свет различного цвета характеризуется различными показателями преломления в данном веществе (дисперсия).

2. Белый цвет есть совокупность простых цветов.

Зная, что белый свет имеет сложную структуру, можно объяснить удивительное многообразие красок в природе. Если предмет, например, лист бумаги, отражает все падающие на него лучи различных цветов, то он будет казаться белым. Покрывая бумагу слоем краски, мы не создаем при этом света нового цвета, но задерживаем на листе некоторую часть имеющегося. Отражаться теперь будут только красные лучи, остальные поглотятся слоем краски. Трава и листья деревьев кажутся нам зелеными потому, что из всех падающих на них солнечных лучей они отражают лишь зеленые, поглощая остальные. Если посмотреть на траву через красное стекло, пропускающее лишь красные лучи, то она будет казаться почти черной.

Мы знаем в настоящее время, что разным цветам соответствуют различные длины световых волн. Поэтому первое открытие Ньютона можно сформулировать следующим образом: показатель преломления вещества зависит от длины световой волны. Обычно он увеличивается по мере уменьшения длины волны.

1.2 Интерференция

Интерференцию света наблюдали очень давно, но только не отдавали себе в этом отчет. Многие видели интерференционную картину, когда в детстве развлекались пусканием мыльных пузырей или наблюдали за

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.

Введение

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 .

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 .

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.

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.

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.

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.

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.

Эффект 1

Эффект 2

Эффект 3

Корпускулярные свойства света

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)

Кл. (3)

, (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.

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.

Результаты и выводы

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.

Волновые и корпускулярные свойства элементарных частиц

Волновые свойства света

То, что свет обладает волновыми свойствами, было известно давно. Роберт Гук в своей работе "Микрография" (1665 г.) сравнивает свет с распространением волн. Христиан Гюйгенс в 1690 г. опубликовал "Трактат о свете", в котором развивает волновую теорию света. Интересно, что Ньютон, который был знаком с этими работами, в своем трактате об оптике убеждает себя и других в том, что свет состоит из частиц – корпускул. Авторитет Ньютона какое-то время даже препятствовал признанию волновой теории света. Это тем более удивительно, что Ньютон не только слышал о работах Гука и Гюйгенса, но и сам сконструировал и изготовил прибор, на котором наблюдал явление интерференции, известное сегодня каждому школьнику под названием "Кольца Ньютона". Явления дифракции и интерференции просто и естественно объясняются в волновой теории. Ему же, Ньютону, пришлось изменить себе самому и прибегнуть к "измышлению гипотез" весьма туманного содержания, чтобы заставить корпускулы двигаться должным образом.

Наибольшего успеха Ньютон, как ученый, добился при объяснении движения планет при помощи открытых им законов механики. Естественно, что он пытался эти же законы использовать и для объяснения движения света, но для того, чтобы это стало возможным, свет непременно должен состоять из корпускул. Если свет состоит из частиц, то к ним применимы законы механики и для того, чтобы найти законы их движения, остается только выяснить, какие силы действуют между ними и веществом. Объяснить такие различные явления, как движение планет и распространение света исходя из одних и тех же принципов – это грандиозная задача, и Ньютон не мог отказать себе в удовольствии искать ее решения. Современная наука не признает корпускулярной теории Ньютона, тем не менее со времени опубликования работы Эйнштейна по фотоэффекту, свет принято считать состоящим из частиц-фотонов. Не ошибался Ньютон и в том, что движением планет и распространением света руководят некие общие принципы, которые ему были неизвестны.

Напомним наиболее известные опыты, приборы и устройства, в которых наиболее ярко проявляется волновая природа света.

1. "Кольца Ньютона".

2. Интерференция света при прохождении его через два отверстия.

3. Интерференция света при отражении от тонких пленок.

4. Различные приборы и устройства: бипризма Френеля, зеркала Френеля, зеркало Ллойда; интерферометры: Майкельсона, Маха-Цандера, Фабри-Перо.

5. Дифракция света на узкой щели.

6. Дифракционная решетка.

7. Пятно Пуассона.

Все эти опыты, приборы, устройства или явления хорошо известны, поэтому не будем на них останавливаться. Хочется напомнить только одну любопытную подробность, связанную с названием "пятна Пуассона". Пуассон был противником волновой теории. Рассматривая метод Френеля, он пришел к заключению, что если свет является волной, то в центре геометрической тени от непрозрачного диска должно быть светлое пятно. Считая, что вывод этот абсурден, он выдвинул его как убедительное возражение против волновой теории. Однако это абсурдное предсказание было экспериментально подтверждено Арагоном.

Корпускулярные свойства света

С 1905 года науке известно, что свет не только является волной, но и потоком частиц – фотонов. Все началось с открытия фотоэффекта.

Фотоэффект был открыт Герцем в 1887 г.

1888 – 1889 г. явление было экспериментально изучено Столетовым.

1898 г. Ленард и Томпсон установили, что частицы, которые испускаются под действием света, являются электронами.

Основная проблема, которую поставил перед учеными фотоэффект, заключалась в том, что энергия вырванных светом из вещества электронов не зависит от интенсивности падающего на вещество света. Она зависит только от его частоты. Классическая волновая теория не могла этот эффект объяснить.

1905 г. Эйнштейн дал теоретическое объяснение фотоэффекту, за что в 1921 г. получил Нобелевскую премию.

По предположению Эйнштейна свет состоит из фотонов, энергия которых зависит только от частоты и рассчитывается по формуле Планка: . Свет способен вырвать электрон из вещества, если у фотона для этого достаточно энергии. При этом не имеет значения количество фотонов, которые падают на освещенную поверхность. Следовательно интенсивность света не имеет значения для начала фотоэффекта.

При объяснении фотоэффекта Эйнштейн использовал известную гипотезу Планка. Планк в свое время предположил, что свет излучается порциями – квантами. Теперь Эйнштейн предположил, что свет, к тому же и поглощается порциями. Для объяснения фотоэффекта этого предположения было достаточно. Эйнштейн, тем не менее идет дальше. Он предполагает, что свет и распространяется порциями или фотонами. Для такого утверждения в тот момент не было никаких экспериментальных оснований.

Наиболее непосредственное подтверждение гипотезы Эйнштейна дал опыт Боте.

В эксперименте Боте тонкая металлическая фольга Ф помещалась между двумя газоразрядными счетчиками Сч. Фольга освещалась слабым пучком рентгеновских лучей, под действием которых она сама становилась источником рентгеновского излучения. Вторичные фотоны улавливались счетчиками Гейгера. При срабатывании счетчика, сигнал передавался на механизмы М, которые делали отметку на движущейся ленте Л. Если бы вторичное излучение испускалось в виде сферических волн, то оба счетчика должны были бы срабатывать одновременно. Однако опыт показал, что отметки на двигающейся ленте располагались совершенно независимо друг от друга. Это можно было объяснить только одним способом: вторичное излучение возникает в виде отдельных частиц, которые могут лететь либо в одном, либо в противоположном направлениях. Поэтому, оба счетчика не могут сработать одновременно.

Опыт Комптона

В 1923 г. Артур Холли Комптон, американский физик, исследуя рассеяние рентгеновских лучей различными веществами, обнаружил, что в рассеянном веществом лучах наряду с первоначальным излучением присутствуют лучи с большей длиной волны. Такое поведение рентгеновских лучей можно только с квантово-механических позиций. Если рентгеновские лучи состоят из квантов – частиц, то эти частицы при столкновениях с покоящимися электронами должны терять энергию, точно так же, как теряет энергию быстро летящий шарик при столкновении с покоящимся. Летящий шарик, потеряв энергию, замедляется. Фотон замедлиться не может, его скорость всегда равна скорости света, собственно он сам и есть свет. Но поскольку энергия фотона равна , то фотон реагирует на столкновение уменьшением частоты.

Пусть энергия и импульс фотона до столкновения были:

;

Энергия и импульс фотона после рассеяния на электроне:

;

Энергия электрона до столкновения с фотоном:

Импульс его до столкновения равен нулю – электрон до столкновения покоится.

После столкновения электрон приобретает импульс , и его энергия соответственно увеличивается: . Последнее соотношение получается из равенства: .

Приравняем энергию системы до столкновения фотона с электроном к энергии после столкновения.

Второе уравнение получается из закона сохранения импульса. При этом, конечно, не следует забывать, что импульс величина векторная.

;

Преобразуем уравнение сохранения энергии

и возведем правую и левую части его в квадрат

Приравниваем полученные выражения для квадрата импульса электрона

, откуда получаем: . Как обычно,

введем обозначение .

Величина называется комптоновской длиной волны электрона и обозначается . С учетом этих обозначений мы можем записать выражение, которое представляет собой теоретический вывод экспериментального результата Комптона: .

Гипотеза де Бройля и волновые свойства других частиц

В 1924 г. де Бройль высказал гипотезу, что фотоны не являются исключением. Другие частицы также по мысли де Бройля должны обладать волновыми свойствами. Причем связь между энергией и импульсом, с одной стороны, и длиной волны и частотой, с другой стороны, должна быть точно такая же, как для электромагнитных фотонов.

Для фотонов , . По предположению де Бройля с частицей должна быть связана волна вещества с частотой и длиной волны .

Что это за волна и в чем ее физический смысл, де Бройль сказать не мог. На сегодняшний день принято считать, что волна де Бройля имеет вероятностный смысл и характеризует вероятность нахождения частицы в различных точках пространства.

Самое интересноев этом то, что волновые свойства частиц были обнаружены экспериментально.

В 1927 г. Дэвиссон и Джеммер обнаружили дифракцию пучков электронов при отражении от кристалла никеля.

В 1927 г. сын Дж.Дж. Томсона и независимо от него Тартаковский получили дифракционную картину при прохождении электронного пучка через металлическую фольгу.

В дальнейшем были получены дифракционные картины и для молекулярных пучков.