Какие факты свидетельствуют о наличии корпускулярных свойств
Многие кто начинает познавать физику как в школьные годы так и в высших учебных заведениях, рано или поздно сталкиваются с вопросами касательно света. Во-первых, что больше всего мне не нравиться в физике которая нам известна сегодня. Так это трактовка одних понятий, при абсолютно спокойном выражении лица и не обращении внимания на другие явления и эффекты. То есть с помощью одних законов или правил пытаются пояснить те или иные явления, но при этом стараются не замечать эффекты этому объяснению противоречащие. Это уже является своего рода правилом ведения трактовки – Ну а как же вот это и это? Дорогой, послушай мы сейчас говорим о другом, просто не обращай внимания. Ведь в рамках этого вопроса, все бьется? Ну и славно.
Очередным “Котом Шредингера” для любого познания, является КВД (корпускулярно волновой дуализм). Когда состояние фотона (частицы света) или же электрона может описываться как волновыми эффектами так и корпускулярными (частицы). Что касается явлений указывающих на волновые свойства материи, тут все более менее понятно, кроме одной вещи – среда в которых эта самая волна передается. Но касательно корпускулярных свойств и особенно наличия таких “частиц” света как фотоны, у меня есть масса сомнений.
Как люди узнали о том что свет имеет волновую природу? Ну тому способствовали открытые эффекты и проведенные эксперименты с дневным светом. К примеру такое понятие как спектр света, (видимый спектр света) где в зависимости от длинны волны и соответственно частоты, цвет спектра меняется от красного до фиолетового, его то мы и видим нашим несовершенным глазом. Все что находится позади него и перед, относиться к инфракрасному, радио излучению, ультрафиолетовому, гамма излучению и так далее.
Обратите внимание как картинку выше, где изображен спектр электромагнитного излучения. В зависимости от частоты волны электромагнитного проявления оно может быть как гамма излучением, так и видимым светом и не только, к примеру оно может быть даже радио волной. Но что самое удивительное во всем этом, только видимому спектру света, столь незначительному во всем диапазоне частот, почему-то, ВНЕЗАПНО и только исключительно ему, приписываются свойства частиц – фотонов. Только видимый спектр почему-то проявляет корпускулярные свойства. Вы никогда не услышите о корпускулярных свойствах радио волн или скажем гамма излучения, эти колебания корпускулярных свойств не проявляют. Лишь отчасти к гамма излучению применяют понятие “гамма-кванта” но об этом позже.
А какие собственно явления или эффекты подтверждают наличие пусть даже только у видимого спектра света корпускулярных свойств? И вот тут начинается самое удивительное.
Если верить официальной науке, корпускулярные свойства света подтверждаются двумя известными эффектами. За открытие и пояснение этих эффектов были выданы Нобелевские премии по физике Альберту Эйнштейну (фото-эффект), Артуру Комптону (эффект Компотна). Следует отметить вопросом – почему фото-эффект не носит имя Альберта Эйнштейна ведь именно за него он получил Нобелевскую премию? А все очень просто, данный эффект был открыт не им, а другим талантливым ученым (Александр Беккерель 1839), Эйнштейн лишь пояснил эффект.
Давайте начнем с фото-эффекта. Где же по мнению физиков в нем присутствует подтверждение того что свет имеет корпускулярные свойства?
Фото-эффектом называют явление благодаря которому происходит испускание электронов веществом при воздействии на него светом или же любым другим электромагнитным излучением. Иными словами, свет поглощается материей и а его энергия переходит электронам заставляя их двигаться упорядочено, переходя таким образом в электрическую энергию.
На самом деле не понятно как физики пришли к заключению что так называемый фотон является частицей, ведь в явлении фотоэффекта установлено что электроны вылетают на встречу фотонам. Этот факт дает представление о неверной трактовке явления фото-эффекта, так как является одним из условий протекания данного эффекта. Но по мнению физиков, данный эффект показывает что фотон является именно частицей только благодаря тому что поглощается полностью, а так же благодаря тому что выделение электронов не зависит от интенсивности облучения а исключительно от частоты так называемого фотона. Именно поэтому родилось понятие кванта света или корпускула. Но тут следует заострить внимание на том что такое “интенсивность” в данном конкретном случае. Ведь солнечные батареи выдают все же больше электричества при увеличении количества света попадающего на поверхность фотоэлемента. К примеру когда мы говорим о интенсивности звука мы подразумеваем амплитуду его колебаний. Чем больше амплитуда тем большую энергию несет акустическая волна и тем большую мощность необходимо что бы такую волну создать. В случае со светом такое понятие отсутствует напрочь. Согласно сегодняшним представлениям в физике, у света есть частота, но нет амплитуды. Что опять же вызывает массу вопросов. К примеру у радиоволны амплитудные характеристики имеются, а у видимого света, волны которого скажем чуть короче радиоволн – амплитуды нет. Все это описанное выше говорит только о том, что такое понятие как фотон является мягко говоря размытым, а все явления указывающие на его существование как их интерпретация, не выдерживают никакой критики. Либо попросту являются придуманными в рамках поддержки какой либо гипотезы, что скорее всего так и есть.
Что касается Комптоновского рассеивания света (эффект Компотона) вообще не понятно каким образом на основании данного эффекта делается заключение что свет это частица а не волна.
В общем по сути сегодня у физики нет конкретного подтверждения того что частица фотон, является полноценной и существует в виде частицы в принципе. Есть некий квант который характеризуется частотным градиентом и не более. И что самое интересное размеры (длинна) этого фотона, согласно E=hv могут быть от нескольких десятков микрон до нескольких километров. И все это никого не смущает при употреблении слова “частица” к фотону.
К примеру, у фемтосекундного лазера с длинной импульса в 100 фемтосекунд длинна импульса (фотона) составляет 30 микрон. Для справки в прозрачном кристалле расстояние между атомами примерно 3 ангстрема. Ну как тут от атома к атому может лететь фотон величина которого в несколько раз больше этого расстояния?
Но сегодня физика не стесняется оперировать понятием квант, фотон или частица по отношению к свету. Просто не обращая внимания на то что не вписывается в стандартную модель описывающую материю и законы по которым она существует.
оригинал статьи
копия на хорде
Источник
Корпускулярно-волновой дуализм[1] (или квантово-волновой дуализм) — свойство природы, состоящее в том, что материальные микроскопические объекты могут при одних условиях проявлять свойства классических волн, а при других — свойства классических частиц[2][3].
Типичные примеры объектов, проявляющих двойственное корпускулярно-волновое поведение — электроны и свет; принцип справедлив и для более крупных объектов, но, как правило, чем объект массивнее, тем в меньшей степени проявляются его волновые свойства[4] (речь здесь не идёт о коллективном волновом поведении многих частиц, например, волны на поверхности жидкости).
Идея о корпускулярно-волновом дуализме была использована при разработке квантовой механики для интерпретации явлений, наблюдаемых в микромире, с точки зрения классических концепций. В действительности квантовые объекты не являются ни классическими волнами, ни классическими частицами, проявляя свойства первых или вторых лишь в зависимости от условий экспериментов, которые над ними проводятся. Корпускулярно-волновой дуализм необъясним в рамках классической физики и может быть истолкован лишь в квантовой механике[5].
Дальнейшим развитием представлений о корпускулярно-волновом дуализме стала концепция квантованных полей в квантовой теории поля.
Волны де Бройля[править | править код]
Количественное выражение принцип корпускулярно-волнового дуализма получает в идее волн де Бройля. Для любого объекта, проявляющего одновременно волновые и корпускулярные свойства, имеется связь между импульсом и энергией , присущими этому объекту как частице, и его волновыми параметрами — волновым вектором , длиной волны , частотой , циклической частотой . Эта связь задаётся соотношениями[6][7]:
где и — редуцированная и обычная постоянная Планка, соответственно. Эти формулы верны для релятивистских энергии и импульса.
Волна де Бройля ставится в соответствие любому движущемуся объекту микромира; таким образом, в виде волн де Бройля и свет, и массивные частицы подвержены интерференции и дифракции[4]. В то же время чем больше масса частицы, тем меньше её дебройлевская длина волны при той же скорости, и тем сложнее зарегистрировать её волновые свойства. Грубо говоря, взаимодействуя с окружением, объект ведёт себя как частица, если длина его дебройлевской волны много меньше характерных размеров, имеющихся в его окружении, и как волна — если много больше; промежуточный случай может быть описан только в рамках полноценной квантовой теории.
Физический смысл волны де Бройля таков: квадрат модуля амплитуды волны в определённой точке пространства равен плотности вероятности обнаружения частицы в данной точке, если будет проведено измерение её положения. В то же время, пока измерение не проведено, частица в действительности не находится в каком-либо одном конкретном месте, а «размазана» по пространству в виде дебройлевской волны.
Идея волны де Бройля как эмпирическая закономерность помогает делать общие выводы о том, будут ли в той или иной ситуации проявляться волновые свойства массивных частиц, и получать количественные оценки в простых случаях — например, оценить ширину дифракционных полос при дифракции электронов. Но эта идея не описывает реальность непосредственно и не позволяет полностью правильно описать поведение частиц с учётом всех основных эффектов квантовой механики (например, квантовая запутанность). Поэтому в основе математического описания (нерелятивистской) квантовой механики лежит другой, более корректно и строго определённый объект с похожим смыслом — волновая функция[3].
История развития[править | править код]
Вопросы о природе света и вещества имеют многовековую историю, однако до определённого времени считалось, что ответы на них обязаны быть однозначными: свет — либо поток частиц, либо волна; вещество либо состоит из отдельных частиц, подчиняющихся классической механике, либо представляет собой сплошную среду.
Атомно-молекулярное учение на протяжении своего развития долго оставалось в статусе лишь одной из возможных теорий, однако к концу XIX века существование атомов и молекул уже не вызывало сомнений. В 1897 году Томсон экспериментально обнаружил электрон, а в 1911 году Резерфорд открыл ядро атома. Была разработана боровская модель атома, в которой электрон подразумевался точечной или очень малой частицей. Однако модель Бора была не вполне последовательна, требовалась другая теория.
Что же касается света, то корпускулярная теория света, представляющая световой луч как поток отдельных частиц, была популярна в Новое время — самым известным из её сторонников был внёсший большой вклад в изучение света Исаак Ньютон. Однако в XIX веке были сформулированы принцип Гюйгенса — Френеля и затем уравнения Максвелла, прекрасно описывавшие свет как волну, состоящую из колебаний электромагнитного поля. Взаимодействие электромагнитной волны с веществом успешно описывалось классической теорией поля.
Казавшееся устоявшимся волновое описание света оказалось неполным, когда в 1901 году Планк получил формулу для спектра излучения абсолютно чёрного тела, а затем Эйнштейн объяснил фотоэффект, опираясь на предположение, что свет с определённой длиной волны излучается и поглощается исключительно определёнными порциями. Такая порция — квант света, позднее названный фотоном, — переносит энергию, пропорциональную частоте световой волны с коэффициентом — постоянная Планка. Таким образом, оказалось, что свет проявляет не только волновые, но и корпускулярные свойства.
Французский учёный Луи де Бройль (1892—1987), развивая представления о двойственной корпускулярно-волновой природе света, выдвинул в 1923 году гипотезу об универсальности корпускулярно-волнового дуализма. Он утверждал, что не только фотоны, но и электроны и любые другие частицы материи наряду с корпускулярными обладают также волновыми свойствами.
Согласно де Бройлю, с каждым микрообъектом связываются, с одной стороны, корпускулярные характеристики — энергия и импульс , а с другой стороны — волновые характеристики — частота и длина волны.
Более конкретное и корректное воплощение принцип корпускулярно-волнового дуализма получил в «волновой механике» Шрёдингера, которая затем превратилась в современную квантовую механику.
Вскоре Джордж Томсон и Клинтон Джозеф Дэвиссон с Лестером Джермером независимо обнаружили дифракцию электронов, дав тем самым убедительное подтверждение реальности волновых свойств электрона и правильности квантовой механики.
Так как дифракционная картина исследовалась для потока электронов, то необходимо было доказать, что волновые свойства присущи каждому электрону в отдельности. Это удалось экспериментально подтвердить в 1948 году советскому физику В. А. Фабриканту. Он показал, что даже в случае столь слабого электронного пучка, когда каждый электрон проходит через прибор независимо от других, возникающая при длительной экспозиции дифракционная картина не отличается от дифракционных картин, получаемых при короткой экспозиции для потоков электронов в десятки миллионов раз более интенсивных.
Трактовку корпускулярно-волнового дуализма в русле квантовой механики дал физик В. А. Фок (1898—1974)[3]:
Ричард Фейнман в ходе построения квантовой теории поля развил общепризнанную сейчас формулировку через интегралы по траекториям, которая не требует использования классических понятий «частицы» или «волны» для описания поведения квантовых объектов[8].
Корпускулярно-волновой дуализм света[править | править код]
Как классический пример применения принципа корпускулярно-волнового дуализма, свет можно трактовать как поток корпускул (фотонов), которые во многих физических эффектах проявляют свойства классических электромагнитных волн. Свет демонстрирует свойства волны в явлениях дифракции и интерференции при масштабах, сравнимых с длиной световой волны. Например, даже одиночные фотоны, проходящие через двойную щель, создают на экране интерференционную картину, определяемую уравнениями Максвелла[9]. Также явление поляризации света свидетельствует в пользу его волновой природы.
Тем не менее, эксперимент показывает, что фотон не есть короткий импульс электромагнитного излучения, например, он не может быть разделён на несколько пучков оптическими делителями лучей, что наглядно показал эксперимент, проведённый французскими физиками Гранжье, Роже и Аспэ в 1986 году[10]. Корпускулярные свойства света проявляются в закономерностях равновесного теплового излучения, при фотоэффекте и в эффекте Комптона, в явлениях химического действия света. Фотон ведёт себя и как частица, которая излучается или поглощается целиком объектами, размеры которых много меньше его длины волны (например, атомными ядрами), или вообще могут считаться точечными (например, электрон).
Чем меньше длина волны электромагнитного излучения, тем больше энергия и импульс фотонов и тем труднее обнаружить волновые свойства этого излучения. Например, рентгеновское излучение дифрагирует только на очень «тонкой» дифракционной решётке — кристаллической решётке твёрдого тела.
Волновое поведение крупных объектов[править | править код]
Квантовое волновое поведение проявляют не только элементарные частицы и нуклоны, но и более крупные объекты — молекулы. В 1999 году впервые наблюдалась дифракция фуллеренов[11]. В 2019 году удалось добиться дифракции молекул массой более 25 000 а.е.м., состоящих из почти 2000 атомов каждая[12].
Тем не менее, нет полной уверенности, могут ли в принципе проявлять квантовое поведение макроскопические объекты — например, с массой, превышающей планковскую[13].
См. также[править | править код]
- Эксперимент Афшара
Примечания[править | править код]
- ↑ Слово «корпускула» означает «частица» и вне контекста корпускулярно-волнового дуализма практически не используется.
- ↑ Герштейн С. С. Корпускулярно-волновой дуализм // Физическая энциклопедия : [в 5 т.] / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Советская энциклопедия, 1990. — Т. 2: Добротность — Магнитооптика. — С. 464—465. — 704 с. — 100 000 экз. — ISBN 5-85270-061-4.
- ↑ 1 2 3 Фок, В. А. Об интерпретации квантовой механики / В. А. Фок // Успехи физических наук. –– 1957. –– Т. 62, № 8. С. 466
- ↑ 1 2 Широков Ю. М., Юдин Н. П. Ядерная физика. — М.: Наука, 1972. — С. 17-18
- ↑ Гальцов Д. В. Корпускулярно-волновой дуализм // Физический энциклопедический словарь. — под ред. А. М. Прохорова — М., Большая Российская энциклопедия, 2003. — ISBN 5-85270-306-0. — Тираж 10000 экз. — с. 312
- ↑ А. С. Давыдов. §1. Введение. §2. Волновая функция свободно движущейся частицы // Квантовая механика. — Изд. 2-е. — Наука, 1973.
- ↑ Волны де Бройля — статья из Физической энциклопедии
- ↑ Фейнман Р., Хибс А. Квантовая механика и интегралы по траекториям. — М., 1968. — 384 с.
- ↑ Taylor, G. I. Interference fringes with feeble light (англ.) // Proceedings of the Cambridge Philosophical Society (англ.)русск. : journal. — 1909. — Vol. 15. — P. 114—115.
- ↑ Experimental Evidence for a Photon Anticorrelation Effect on a Beam Splitter: A New Light on Single-Photon Interferences
- ↑ Markus Arndt, Olaf Nairz, Julian Vos-Andreae, Claudia Keller, Gerbrand van der Zouw & Anton Zeilinger. Wave–particle duality of C60 (англ.) // Nature. — 1999. — 14 October (vol. 401, no. 6754). — P. 680—682. — doi:10.1038/44348. — Bibcode: 1999Natur.401..680A. — PMID 18494170.
- ↑ Yaakov Y. Fein, Philipp Geyer, Patrick Zwick, Filip Kiałka, Sebastian Pedalino, Marcel Mayor, Stefan Gerlich & Markus Arndt. Quantum superposition of molecules beyond 25 kDa // Nature Physics. — 2019. — doi:10.1038/s41567-019-0663-9.
- ↑ Markus Arndt & Klaus Hornberger. Testing the limits of quantum mechanical superpositions // Nature Physics. — 2014. — Vol. 10. — P. 271–277. — doi:10.1038/nphys2863.
Литература[править | править код]
- Луи де Бройль. Революция в физике (Новая физика и кванты). — 2-е изд. — М: Атомиздат, 1965. — 232 с.
- Сычёв В. В. Сложные термодинамические системы. — 5-е изд., перераб. и доп.. — М.: Издательский дом МЭИ, 2009. — 296 с. — ISBN 978-5-383-00418-0.
Источник
По представлениям классической физики, движение частиц и распространение волн различаются принципиально. Многие наблюдали это различие между полётом камня по определённой траектории и распространением волн по поверхности воды, при падении этого камня в воду.
Но, это в макромире. А в микромире эти различия, как-бы, «размываются». К примеру, ещё Гюйгенс (1629-1695), затем Юнг (1773-1829) и Френель (1788-1827) доказали, что свет имеет волновую природу. Это проявляется в явлениях, поляризации, преломления, интерференции и дифракции света.
Однако, исследуя в 1900 году законы теплового излучения, Планк (1858-1947) обнаружил «световые порции» – кванты электромагнитного поля. Эти кванты – фотоны – во многом похожи на частицы (корпускулы): они обладают определённой энергией и импульсом, взаимодействуют с веществом как целое. Более поздние опыты по вырыванию светом электронов с поверхности металлов (фотоэффект) и рассеянию света на электронах (Комптона эффект) показали, что свет ведёт себя подобно потоку частиц.
С другой стороны, оказалось, что падающие на кристалл электроны, которые изначально воспринимались, как частицы, дают дифракционную картину, которую нельзя понять иначе, как на основе волновых представлений. Позже было установлено, что это явление свойственно вообще всем микрочастицам.
В 1924 Бройль (1892-1968) выступил с поразительной по смелости гипотезой о том, что корпускулярно-волновой дуализм присущ всем без исключения видам материи – электронам, протонам, атомам и т.д., причём количественные соотношения между волновыми и корпускулярными свойствами частиц те же, что и установленные ранее для фотонов. А именно, если частица имеет энергию W и импульс p, то с ней связана волна, частота которой ν = W/h и длина волны λ = h/p, где h – постоянная Планка. Эти волны получили название «волны де Бройля».
Таким образом, характерной особенностью микромира является своеобразная двойственность, дуализм корпускулярных и волновых свойств, который не может быть понят в рамках классической физики.
Квантовая механика устранила абсолютную грань между волной и частицей. Ведь каждая волна состоит из полуволн, которые мы называем пучностями (расположены между двумя узлами, см. рис.):
Пучности во многом похожи на частицы (корпускулы). Ведь они, так же как и фотоны, обладают определённой энергией и импульсом, чётко ограничены в пространстве (длина волны) и во времени (период волны).
При этом (очень важно!), если мы по горизонтальной оси будем откладывать длину волны (в метрах), а по вертикальной – её импульс (кг*м/с), то величина площади пучности будет равна постоянной Планка (Дж*с). Такое же значение будет иметь площадь пучности, если мы по вертикали будем откладывать энергию волны (Дж), а по горизонтали – её период (в секундах). Именно поэтому мы называем эти пучности квантами (порциями) энергии и импульса (следовательно, и массы).
Вывод: фотон, электрон, протон, нейтрон… являются лишь полуволнами колебаний той среды, в которой распространяется волна. В свою очередь полуволну можно рассматривать, как корпускулу, имеющую конкретный размер (длина полуволны), энергию, импульс и массу (для электрона и протона – ещё и электрический заряд).
Дополнение: Однако электромагнитные волны распространяются не в плоскости, а в трёхмерном объёме. При этом поперечность этих волн выражается в том, что колеблющиеся в них векторы напряжённости электрического и магнитного полей перпендикулярны направлению распространения волны. Кроме того, эти векторы почти всегда взаимно перпендикулярны, поэтому для описания электромагнитной волны требуется знать поведение лишь одного из них. Обычно для этой цели выбирают вектор напряжённости электрического поля Е.
На рисунке показаны колебания проекций электрического вектора Е на взаимно перпендикулярные оси X и Y (Z — направление распространения волны) и огибающая концов полного вектора Е в разных точках волны для случая, когда вертикальные (по оси X) колебания на четверть периода (90°) опережают горизонтальные (по оси Y). Конец вектора Е в этом случае описывает окружность в направлении «правого винта».
Практически мы получили цилиндрическую пружину, которую можно рассматривать как устройство, накапливающее потенциальную энергию. Однако, в потенциальном поле атома электромагнитная волна распространяется не линейно (вдоль оси Z), а по замкнутой кривой. Значит, нашу пружину необходимо свернуть в кольцо так, чтобы её основания совместились друг с другом. Получим тор (проще бублик), центр которого совпадает с центром потенциального поля.
Электромагнитная волна в замкнутом пространстве атома представляет собой стоячую волну, которая распространяется вдоль оси тора (свёрнутая нами в кольцо ось Z) с орбитальной скоростью, равной корню квадратному из модуля гравитационного потенциала (v^2, Дж/кг) на данной траектории, а конец вектора Е описывает винтовую окружность вдоль витков пружины.
Для справки:
Поляризация света, одно из фундаментальных свойств оптического излучения (света), состоящее в неравноправии векторов напряжённости в плоскости, перпендикулярной световому лучу (направлению распространения световой волны).
Преломление света, изменение направления распространения оптического излучения (света) при его прохождении через границу раздела двух сред.
Интерференция волн, сложение в пространстве двух (или нескольких) волн, при котором в разных точках получается усиление или ослабление амплитуды результирующей волны.
Дифракция (от лат. diffractus – разломанный) волн, явление, связанное с отклонением волн при их прохождении мимо края препятствия. В соответствии с принципом Гюйгенса – Френеля это препятствие является источником вторичных волн, от которого распространяется сферическая волна, попадая в область геометрической тени.
Квант света (нем. quant, от лат. quantum – сколько), количество (порция) электромагнитного излучения, которое в единичном акте способен излучить или поглотить атом или другая квантовая система; элементарная частица, то же, что фотон.
Планка постоянная, квант действия, фундаментальная физическая постоянная, определяющая широкий круг физических явлений, для которых существенна дискретность действия.
Квантовая механика – волновая механика, теория устанавливающая способ описания и законы движения микрочастиц (элементарных частиц, атомов, молекул, атомных ядер) и их систем, а также связь величин, характеризующих частицы и системы, с физическими величинами, непосредственно измеряемыми в макроскопических опытах.
На главную
Источник