Światło składa się z fotonów. Foton. Struktura fotonu. Zasada ruchu. Przyczyny pojawienia się fizyki kwantowej

Foton to kwant pola elektromagnetycznego, cząstka elementarna o zerowej masie spoczynkowej i spinie równym jeden. Foton jest najczęstszą ze wszystkich cząstek elementarnych. Występuje również w strumieniach światła widzialnego, w promieniowaniu rentgenowskim, w postaci fal radiowych oraz w impulsach laserowych. W 1964 roku amerykańscy radioastronomowie A. Penzias i R. Wilson odkryli, że przestrzeń świata jest wypełniona milimetrowymi falami radiowymi, które można uznać za zimny gaz fotonowy o temperaturze 2,7 K. Według współczesnych koncepcji promieniowanie to ( nazywa się to promieniowaniem reliktowym) powstało we wczesnych stadiach rozwoju Wszechświata, kiedy substancja znajdowała się w ogromnej temperaturze i ciśnieniu (patrz Kosmologia). Średnia gęstość fotonów reliktowych wynosi około 500 na . Liczbę tę można porównać z obfitością protonów, z których zbudowany jest otaczający nas świat: we Wszechświecie na przeciętnie przypada nie więcej niż jeden proton. Tak więc we wszechświecie fotony są miliard razy częstsze niż protony.

Historyczny los fotonu jest niezwykły; być może jest to jedyna cząstka elementarna, dla której nie można wskazać autora jej eksperymentalnego odkrycia. Foton został odkryty teoretycznie przez M. Plancka, który 14 grudnia 1900 r. na spotkaniu Berlińskiego Towarzystwa Fizycznego przedstawił swoją hipotezę dotyczącą kwantyzacji energii promieniowania. Od tego momentu w fizyce rozpoczęła się era kwantowa.

Rozwijając ideę Plancka, A. Einstein w 1905 r. zasugerował, że światło jest nie tylko emitowane i pochłaniane w oddzielnych częściach, ale także składa się z nich. To było śmiałe i niezwykłe uogólnienie. Np. wodę pijemy zawsze porcjami, łykami, ale nie wynika z tego, że woda składa się z pojedynczych łyków. Zgodnie z teorią Einsteina fala elektromagnetyczna zaczęła wyglądać jak strumień kwantów.

Hipoteza Plancka umożliwiła wyjaśnienie wzorów efektu fotoelektrycznego, luminescencji i szeregu innych zjawisk. Własności korpuskularne promieniowania elektromagnetycznego najdobitniej ujawniły się w doświadczeniach A. Comptona nad rozpraszaniem promieni rentgenowskich przez elektrony swobodne (1922). Efekt Comptona potwierdził poprawność idei kwantowych dotyczących promieniowania elektromagnetycznego oraz w fizyce w latach dwudziestych. w końcu weszła nowa cząstka elementarna, zwana fotonem (od greckiego słowa oznaczającego „światło”).

Foton, jak każda inna cząstka kwantowa, ma jednocześnie zarówno właściwości falowe, jak i korpuskularne, tak że w toczącym się przez prawie dwa stulecia sporze pomiędzy zwolennikami falowej i korpuskularnej teorii światła wszyscy okazali się mieć rację. Ich własna droga. W zwykłym życiu nie pojawiają się korpuskularne właściwości światła, ponieważ mamy do czynienia z fotonami nie jeden po drugim, ale jednocześnie dużą ich liczbą, odbieraną jako fala świetlna. Wiadomo, że fala elektromagnetyczna charakteryzuje się częstotliwością kołową o), natężeniem i prędkością propagacji c, co ma podstawowe znaczenie jako graniczna prędkość propagacji oddziaływań (współczesna wartość ). Fotony odpowiadające fali mają energię i pęd (współczesna wartość stałej Plancka J s). Na przykład maksymalne promieniowanie Słońca pada na światło o długości fali K cm, co odpowiada częstotliwości kołowej Hz. Energia takich fotonów to J. Stała słoneczna, czyli energia spadająca w jednostce czasu na jednostkę powierzchni ziemi, jest równa , z czego można obliczyć, że spada ogromna liczba fotonów, około . w 1 sek. Jednocześnie w eksperymentach z cząstkami elementarnymi detektory wykrywają fotony jeden po drugim, a nawet ludzkie oko jest w stanie to zrobić w zasadzie.

Liczba fotonów nie jest stała, mogą się rodzić i niszczyć w procesach interakcji, na przykład w procesie anihilacji (patrz Antymateria), - symbole elektronu i pozytonu, - symbol fotonu, kwant gamma) . Zarówno tutaj, jak iw efekcie Comptona fotony działają jak rzeczywiste obserwowalne cząstki. Ponadto fotony mogą istnieć w nieobserwowalnym, wirtualnym stanie, przenosząc oddziaływania elektromagnetyczne.

Właściwości fotonu jako cząstki elementarnej mają swoje korzenie w klasycznej elektrodynamice. Foton jest elektrycznie obojętny, jego ładunek wynosi zero. (W przeciwnym razie dwie fale elektromagnetyczne mogłyby ze sobą oddziaływać, a pole dwóch ładunków nie byłoby już sumą pól każdego z nich z osobna.) Foton również nie ma innych ładunków: mówi się, że jest naprawdę neutralny i identyczny z jego antycząstką ( patrz Antymateria ). Parzystość ładunku fotonu wynosi -1, co wynika z oczywistego faktu, że kierunek pól elektrycznych i magnetycznych zmienia się na przeciwny, gdy zmieniają się znaki wszystkich ładunków dowolnego układu. Zachowanie parzystości ładunku w oddziaływaniach elektromagnetycznych, związane z symetrią między elektronami i ich antycząstkami - pozytonami, prowadzi do pewnych ograniczeń reakcji. Na przykład, niektóre systemy cząstek mogą rozpadać się tylko na parzystą liczbę fotonów, podczas gdy inne mogą rozpadać się tylko na nieparzystą liczbę (patrz Antymateria).

Szczególnie dobrze zbadane są procesy oddziaływania fotonów z elektronami i pozytonami - jest to tak zwana elektrodynamika kwantowa, której przewidywania zostały zweryfikowane w eksperymentach z dużą dokładnością.

Masa spoczynkowa fotonu wynosi zero. Oznacza to, że fotonu nie można ani zatrzymać, ani spowolnić. Niezależnie od swojej energii jest skazany na poruszanie się z fundamentalną prędkością c. Jeśli przyjmiemy, że foton ma niewielką, ale wciąż skończoną masę , to możemy zbadać obserwowane efekty, które powstają w tym przypadku. Podobnie jak w przypadku zwykłych cząstek, prędkość fotonów musiałaby zależeć od ich energii (tj. od długości fali promieniowania) i zawsze być mniejsza niż c. Efekt rozproszenia fal elektromagnetycznych w próżni można w zasadzie wykryć na podstawie promieniowania pulsarów. Mówiąc obrazowo, niebieskie promienie przyjdą do obserwatora przed czerwonymi. Biorąc pod uwagę ogromne odległości, które dzielą nas od pulsarów, czasy przybycia musiałyby się znacznie różnić nawet przy niewielkich różnicach prędkości różnych wiązek.

Obecność skończonej masy spoczynkowej fotonu prowadziłaby do pojawienia się skończonego promienia działania sił elektromagnetycznych. Rzeczywiście, jeśli ładunek emituje wirtualny foton, to w energii występuje niepewność i zgodnie z relacją niepewności taki foton może istnieć tylko przez czas . W tym czasie pokona dystans nie większy niż , po czym musi zostać wchłonięty przez kolejny ładunek.

8.1. Energia pola elektromagnetycznego

Stan pola elektromagnetycznego w rezonatorze można określić, wymieniając stany wszystkich oscylatorów pola odpowiadających dopuszczalnym modym promieniowania (8.1). Niezależność oscylatorów pola od siebie umożliwia przedstawienie stanu całego pola elektromagnetycznego jako iloczynu stanów każdego z jego modów. Całkowita energia okazuje się równa sumie energii w każdym z trybów (8.2). Energia każdego modu może przyjmować wartości dyskretne, które są oddzielone od siebie wartością równą energii kwantu Plancka (8.3). Ta właściwość pozwala nam formalnie przypisać do każdego stanu oscylatora pola zbiór cząstek, z których każda ma energię (8.3), której liczba jest równa liczbie tego stanu. Takie cząstki nazywają się fotony.

Pewne trudności w teorii wynikają z faktu, że energie niższych stanów oscylatorów pola okazują się różne od zera. To. każdy mod z nieskończonego zbioru, nawet przy braku faktycznie obserwowanych w nim fotonów, ma energię równą połowie energii kwantu Plancka. Całkowita energia próżni, nawet przy braku w niej promieniowania, okazuje się nieskończenie duża. W omawianym przypadku często stosowana w fizyce metoda redefiniowania energii układu poprzez przesunięcie początkowego poziomu jej odczytu wydaje się mało akceptowalna. Pochodzenie niezerowej wartości energii stanu dolnego ma głębokie znaczenie fizyczne, ponieważ wynika z reguły komutacji dla operatorów uogólnionej współrzędnej i pędu. To ta właściwość operatorów ostatecznie prowadzi do poprawnego opisu efektu promieniowania spontanicznego, którego nie wyjaśnia „klasyczna” mechanika kwantowa oraz szereg innych „subtelnych” efektów zaobserwowanych w eksperymencie. Zgodnie z wprowadzoną terminologią stany niższe odpowiadające „połówce fotonów” można nazwać ciemne fotony lub zero-oscylacje próżni elektromagnetycznej. Jednocześnie należy zauważyć, że uzyskany wynik w postaci nieskończenie dużej energii próżni elektromagnetycznej najwyraźniej jest fizycznie pozbawiony sensu i wskazuje na wewnętrzną niespójność i niekompletność dostępnej dziś kwantowej relatywistycznej teorii promieniowania.

8.2. Impuls pola elektromagnetycznego

Foton, jako ultrarelatywistyczna cząstka, oprócz energii musi również posiadać pęd, związany z energią standardową relatywistyczną relacją (8.4). Oczekiwane wyrażenie na pęd fotonu rzeczywiście można uzyskać w ramach formalizmu oscylatorów pola przyjętego w elektrodynamice kwantowej. Wyraźną postać operatora pędu (8.5) można zapisać w sposób naturalny przez analogię z wyrażeniem klasycznym i biorąc pod uwagę wcześniej otrzymane wyrażenia na potencjał wektorowy i operatory pola (7,29 - 7,30), można ją wyrazić w terminach operatorów współrzędnych uogólnionych i pędu oscylatorów polowych (8.6). „Właściwe” wyrażenie na pęd pola elektromagnetycznego (8.7), oczekiwane od niekwantowej teorii relatywistycznej, wynika bezpośrednio z ostatniej relacji. W przeciwieństwie do rozważanej sprzeczności z energią, w przypadku pędu pola elektromagnetycznego, ze względu na wektorowy charakter pojęć zawartych w sumie, całkowity pęd przestrzeni, która w pewnym sensie nie zawiera promieniowania elektromagnetycznego, okazuje się być równy zero.

8.3. Polaryzacja promieniowania i „spin” fotonu

Jeżeli w ramach fizyki klasycznej pojęcie polaryzacji fal elektromagnetycznych nie wymaga specjalnych komentarzy, to doprecyzowanie znaczenia tej cechy w przypadku opisu korpuskularnego wydaje się bardzo sensowne.

Nawet w języku fizyki klasycznej można podać szereg rozważań wskazujących na ścisły związek między polaryzacją promieniowania a plecy foton, który w przypadku cząstki poruszającej się z prędkością światła jest zwykle nazywany skrętność. Aby wyjaśnić związek między polaryzacją promieniowania a przenoszonym przez nią momentem pędu, wystarczy rozważyć proces oddziaływania atomu Thomsona z promieniowaniem o polaryzacji kołowej. Przy ustalonym wymuszonym obrocie quasi-sprężystego elektronu z częstotliwością rotacji pola elektrycznego fali kąt między wektorami prędkości elektronu a natężeniem pola pozostaje stały. W tym przypadku szybkość przekazywania energii promieniowania do układu okazuje się proporcjonalna do szybkości przekazywania mu momentu pędu (8.8). Podstawienie do otrzymanego wyrażenia wzoru Plancka na energię promieniowania prowadzi do założenia, że ​​rzut z momentu pędu fotonu o polaryzacji kołowej może mieć wartość równą stałej Plancka. W tym przypadku logiczne wydaje się przypisanie fotonowi odpowiedniego momentu pędu równego co do wielkości jednej ze stałych Plancka.

Inne rozważania również prowadzą do podobnego wniosku, opartego na związku między wielkością spinu układu a właściwościami transformacji stanów polaryzacyjnych promieniowania podczas obrotu układu współrzędnych. Jest tak oczywiste, że przy obrocie układu współrzędnych wokół osi z, której kierunek pokrywa się z kierunkiem propagacji płaskiej fali monochromatycznej, dwa możliwe stany jej polaryzacji liniowej są przekształcane przez siebie (8.9). W przypadku stanów o polaryzacji kołowej (8.10) obrót układu współrzędnych prowadzi jedynie do ich pomnożenia przez współczynnik fazy (8.11), który dokładnie pokrywa się z podobnym współczynnikiem, jaki powstaje podczas obrotu wokół osi z układów z jednostką obracać. To właśnie ta właściwość stanów polaryzacji umożliwia przypisanie fotonu płaskiej fali monochromatycznej o polaryzacji kołowej wewnętrznemu momentowi pędu równemu jedności.

Przypisanie fotonu jednostkowego spinu jest nieco arbitralne, ponieważ spin jest zwykle nazywany wewnętrznym momentem pędu cząstki w tych układach odniesienia, względem których rozważana cząstka pozostaje nieruchoma. To brak układu odniesienia, w którym cząstka może pozostawać w spoczynku, ostatecznie prowadzi do zakazu istnienia fotonów w stanach sferycznie symetrycznych. Z tego powodu stan |S=1, M S =0> w przypadku fotonów okazuje się w przyrodzie niemożliwy do zrealizowania.

8.4. Całkowity pęd i parzystość fotonu

Przy rozwiązywaniu problemów oddziaływania promieniowania z atomem wygodniej jest rozpatrywać pole elektromagnetyczne jako zbiór fal sferycznych, które są rozwiązaniem równania d'Alemberta zapisanego we współrzędnych sferycznych (8.12). W pewnym sensie to równanie potencjału wektora można uznać za analogię równania Schrödingera dla elektronu (2,4 - 2,5). Oba równania mają podobną strukturę i zawierają kwadrat operatora momentu pędu. Różnica polega tylko na braku terminu zawierającego potencjał kulombowski (foton jest elektrycznie obojętną cząstką) i na wektorowej naturze pożądanego rozwiązania. To ostatnie wymaga wyjaśnienia: ściśle mówiąc, funkcja falowa elektronu w klasycznym równaniu Schrödingera nie jest skalarem, ponieważ zawiera część spinową odpowiadającą dwóm możliwym stanom właściwego momentu pędu elektronu (spin 1/2). . W tym sensie różnica między potencjałem wektorowym („funkcją falową”) fotonu a „skalarną” (a właściwie dwuskładnikową) funkcją falową elektronu polega jedynie na wielkości spinu porównywanych cząstek elementarnych. Należy raz jeszcze przypomnieć, że wartość spinu charakteryzuje liczbę stanów obiektu nieruchomego, które przechodzą przez siebie podczas obrotu współrzędnych.

Podobnie jak w przypadku rozwiązania problemu ruchu elektronów w polu kulombowskim jądra, zasadne jest poszukiwanie stacjonarnego (czyli zależnego od czasu zgodnie z prawem harmonicznym) rozwiązania tego równania w postaci iloczynu dwóch funkcji: promieniowej i kątowej (8.13). Jako drugie, należy użyć dowolnej z wcześniej wprowadzonych funkcji sferycznych (5.7), które składają się na pełny zestaw funkcji własnych kwadratowego operatora momentu pędu. Skonstruowane rozwiązanie (8.13) zawiera dwa czynniki przekształcające się pod wpływem obrotów układu współrzędnych: funkcje sferyczne i wektor polaryzacji. Formalnie, analogicznie do problemu elektronu w atomie wodoru, rząd ja funkcja kuli Y lm Chciałbym porównać moment pędu fotonu z wektorem polaryzacji - spinem fotonu równym jedności (cząstki o spinie jedności zachowują się podczas obrotów jak wektor klasyczny). Całkowity pęd fotonu (jak w przypadku elektronu) musi być sumą orbity i spinu.

Niestety powyższa analogia nie jest w pełni zadowalająca ze względu na fakt, że masa spoczynkowa fotonu jest równa zeru. Ta oczywista cecha fotonu uniemożliwia istnienie układu współrzędnych, w którym byłby w spoczynku. W rezultacie pojęcie spinu, tradycyjnie definiowanego jako samoistny moment pędu cząstki w spoczynku, traci dla fotonu znaczenie. Niemożliwe okazuje się również poprawne zdefiniowanie spinu fotonu jako cechy liczby stanów przechodzących przez siebie podczas obrotów: obowiązkowy dla fotonu stan ruchu z prędkością światła zawsze wybiera jeden kierunek w przestrzeni, zmiana, w której podczas obrotu oznaczałaby zmianę wektora falowego fotonu, a tym samym numer odpowiedniego modu. Niemożność prawidłowego rozdzielenia momentu orbitalnego i spinowego fotonu można wyjaśnić jeszcze innym językiem: warunek poprzeczny dla fal elektromagnetycznych zasadniczo nakłada dodatkowe ograniczenie na wzajemną orientację wektora falowego i wektora polaryzacji. W rezultacie ruchu „orbitalnego” i „spinowego” fotonu nie można uznać za niezależny. To. w przypadku fotonu okazuje się, że można mówić tylko o całkowitym momencie pędu cząstki.

Oprócz energii, pędu i całkowitego pędu foton może być przypisany określony parytet, który charakteryzuje zachowanie funkcji falowej przy odwróceniu współrzędnych. Wskazana operacja odwraca znak zwykłego trójwymiarowego wektora przestrzennego. Funkcja kulkowa z indeksami l, m=l po odwróceniu zachowuje się jak 2l- dodatnio skierowane spinory, których każda para jest podobna do wektora przestrzennego (8.14). To. parzystość takiej funkcji okazuje się równa (-1)l. Podczas obracania układu współrzędnych funkcja sferyczna ze wskazanymi indeksami jest przekształcana przez zbiór wszystkich możliwych funkcji sferycznych rzędu ja. Ponieważ przy braku oddziaływań słabych operator inwersji z hamiltonianem układu, komutuje on również z operatorem kwadratu momentu pędu, który wchodzi w wyrażenie na hamiltonian, a w konsekwencji ze skojarzonym z nim operatorem obrotu . W rezultacie okazuje się, że cały zestaw sferycznych funkcji porządku ja ma taką samą parzystość.

Ponieważ funkcja falowa fotonu ma charakter wektorowy (tzn. zawiera wektor polaryzacji, którego parzystość jest ujemna), całkowita parzystość fotonu okazuje się równa (-1) l+1 .

8.5. Cząstki wektorowe w stanach o różnych całkowitych momentach kątowych

Aby skonstruować klasyfikację fotonów pod względem pędu i parzystości, wskazane jest rozwiązanie pomocniczego problemu znalezienia dopuszczalnych wartości całkowitych momentów nierelatywistycznej cząstki wektorowej o danym orbitalnym pędzie. Jako najprostszy przykład możemy rozważyć cząstkę wektorową w stanie p (z orbitalnym momentem pędu l=1). Stany bazowe takiego układu można podać jako iloczyny stanów momentu orbitalnego i spinowego (8.15). Rozsądnie jest nazywać taką bazę zbiorem stanów z określonymi rzutami momentów orbitalnego i spinowego. Rzut całkowitego momentu układu na oś pionową jest nadal wyznaczany na podstawie wyniku działania na stan operatora obrotu wokół osi z. Stan z rzutami na oś z momentami orbitalnymi i spinowymi równymi jedności można również przypisać stanowi nowej bazy z całkowitym pędem j=2 i jego maksymalna możliwa projekcja Mj =+2(8.16). Pozostałe 4 stany z grupy z j=2 są symetrycznymi liniowymi kombinacjami początkowych stanów bazowych (8.15) z takimi samymi sumami rzutów momentów orbitalnego i spinowego (8.17). Ostatnie twierdzenie można łatwo zweryfikować, operując operatorem arbitralnej rotacji na stanie |j=2, m=2>, w wyniku czego wskazany stan powinien przekształcić się w kombinację liniową grupy nowych stanów podstawowych postaci |j=2,Mj >(8.18). Cała ta grupa odpowiada stanom, które są całkowicie symetrycznymi kombinacjami liniowymi wszystkich możliwych kombinacji czterech spinorów wziętych z tymi samymi współczynnikami wagowymi. Z kolei z tych liniowych kombinacji łatwo jest skomponować stany pierwotnej bazy z pewnymi rzutami obu momentów.

Pozostałe antysymetryczne kombinacje liniowe stanów starej bazy z |M|

To. z danego zbioru 9 iloczynów stanów o określonych rzutach momentów można było skonstruować taką samą liczbę nowych stanów podstawowych o określonej wartości momentu całkowitego i jego rzutów. W pełnej zgodności z zasadami mechaniki kwantowej dodawania momentów, zbiór nowo skonstruowanych stanów zawiera sumaryczne momenty leżące w przedziale od |l-s| do l+s.

8.6. Klasyfikacja fotonów

Zbiór stanów o całkowitym pędzie wyliczony przez algorytm (8.15) dla cząstki wektorowej okazuje się zbędny dla fotonu, który nie ma stanów „wzdłużnych” z wektorem polaryzacji skierowanym wzdłuż wektora falowego. Aby ujawnić „dodatkowe” stany polaryzacji podłużnej, warto ustalić ich parzystość. Aby właściwości fizyczne hipotetycznego „wzdłużnego” fotonu pozostały niezmienione, dokonywane na nim przekształcenia symetrii nie powinny wpływać na wektor falowy (i równoległy do ​​niego wektor polaryzacji). To. możliwe okazują się jedynie obroty wokół wektora falowego, w wyniku czego obiekt musi wykazywać właściwości symetrii odpowiadające jego całkowitemu momentowi j. To. część współrzędna funkcji falowej fotonu musi zawierać funkcję sferyczną rzędu j. Podczas odwracania współrzędnych, które nie wpływają na kierunek wektora k, funkcja sferyczna całkowicie określa parzystość całej funkcji falowej fotonu - (-1) j. To stan z taką parzystością okazuje się „zbędny” i należy go skreślić z pełnej listy możliwych stanów fotonowych:

Metodologia współczesnej fizyki, która powstała na „drożdżach” teorii względności, doprowadziła do bezprecedensowego zamieszania umysłów i powstania wielu opartych na niej teorii naukowych, bardziej przypominających fantazje średniowiecznych scholastyków.

I tak na przykład prof. Veinik, znany z tego, że cierpiał za krytykę teorii względności (po prostu ją wyśmiewał), pisze w podręczniku dla studentów „Termodynamika”: „...ważną wadą mechaniki kwantowej jest brak przewodnie idee, które umożliwiłyby ocenę struktury cząstki. W rezultacie taka banalna cząstka elementarna jak foton, należał do kategorii wyjątkowych (podobno ułatwiał to fakt, że światło przez długi czas uważano za falę, a także formuła mi = mc 2 Einsteina). W rzeczywistości foton w zasadzie nie różni się od elektronu i innych cząstek elementarnych (to można sądzić na podstawie zdjęć...). Wystarczyło zrozumieć strukturę elektronu lub fotonu, aby uzyskać pełny obraz całego mikrokosmosu i rządzących nim praw. Zgodnie z ogólną teorią (Veinik - N.N.) cząstka elementarna to zespół mikroładunków. Te ostatnie obejmują: masę (substancje), przestrzeń (metrony), czas (chronony), elektron, termon, stałą Plancka itp. Liczba różnych cząstek elementarnych jest nieskończenie wielka”.

Widzimy więc, jak czasoprzestrzeń, cząstka falowa, zasada nieoznaczoności, odpowiednik energii masy i inne „byty” nadal generują nowe potwory w postaci termonów, metronów, chrononów i substancji. Jeśli chodzi o fotografię, gdyby Veinikowi pokazano zdjęcie autostrady w nocy, zdefiniowałby w ten sam sposób „banalność” samochodu pozostawiającego ślad reflektorów na zdjęciu. „Sen rozumu rodzi potwory” (Goya).

„Przyczynę wszystkich zjawisk naturalnych można zrozumieć za pomocą rozważań natury mechanicznej, w przeciwnym razie trzeba porzucić wszelką nadzieję na zrozumienie czegokolwiek w fizyce”. (Huygens „Traktat o świetle”). Ta sama idea została wyrażona w różnych wersjach przez najsłynniejszych badaczy i myślicieli różnych czasów: Arystotelesa, Galileusza, Newtona, Hooke'a, Kartezjusza, d'Alemberta, Fresnela, Faradaya, Helmholtza i wielu innych. Tak więc Maxwell w swoim „Traktacie o elektryczności i magnetyzmie” napisał: „Obecnie nie możemy zrozumieć propagacji (interakcji - N.N.) w czasie inaczej niż przez coś takiego jak lot substancji materialnej w przestrzeni lub jako stan ruchu lub napięcie w medium, które już istnieje w przestrzeni ... Rzeczywiście, bez względu na to, jak energia jest przenoszona z jednego ciała do drugiego w czasie, musi istnieć ośrodek lub substancja, w której znajduje się energia po opuszczeniu jednego ciała, ale jeszcze nie dotarła do innej... Dlatego wszystkie te teorie (fala, oddziaływanie i elektromagnetyzm - N.N.) prowadzą do koncepcji ośrodka, w którym zachodzi propagacja, a jeśli przyjmiemy to medium jako hipotezę, to myślę, że należy ją przyjąć ważne miejsce w naszych badaniach i należy starać się zbudować mentalną reprezentację jego działania we wszystkich szczegółach; to był mój stały cel w tym traktacie.”.

Ale spróbujmy teraz wyobrazić sobie pojawienie się fotonu według Veinika: „podekscytowany” elektron leciał, leciał po orbicie i nagle oderwała się od niego pewna „banalna esencja”, która nie mając ku temu powodów i podstaw, niezależnie od prędkości i częstotliwości cyklicznej elektronu, nabiera swojej częstotliwości oscylacji (po obliczeniu ilości energii, którą musi przyjąć?), a masę - co się dzieje! Skutek nie jest tu generowany przez przyczyny, a rozważania fizyczne nie są poparte logiką i prawami mechaniki. Jakie są „mentalne reprezentacje” Maxwella?!

Tak więc Maxwell twierdzi, że energię można przenieść na odległość tylko na dwa sposoby: razem z materią (masą) lub falami przez ośrodek pośredni. Istnienie rzekomo szczególnego rodzaju materii – pola elektromagnetycznego – jest wynikiem penetracji nienaukowego myślenia do fizyki. Nie jest to nawet kaloryczne, co dość skutecznie opisywało energię drgań atomów i cząsteczek materii i jednocześnie promieniowanie cieplne (elektromagnetyczne). To tylko próba ukrycia ignorancji i niemocy przed tajemnicą natury.

Z tą zagadką zmagają się wielkie umysły ludzkości, poczynając od myślicieli starożytnych Greków, starożytnych Arabów, starożytnych Indii i starożytnych Chin, od Newtona, Hooke'a, Huygensa, po współczesnych badaczy, którzy choć osiągnęli wielkie osiągnięcia w posługiwaniu się światłem (lasery itp.), jednak ich wiedza o istocie światła jest wciąż bardzo daleka od prawdy.

Poglądy Newtona na naturę światła były wysoce sprzeczne i niespójne. Chociaż był twórcą prawdziwie naukowego myślenia, obawa przed stawianiem hipotez naukowych bez wystarczającej ilości faktów doświadczalnych i obserwacyjnych doprowadziła go do drugiej skrajności: do przymusu myślenia i braku konsekwencji we wnioskach. W ten sposób jego poglądy na interakcję ciał na odległość doprowadziły go do idei istnienia pośredniego medium; ale rozważając naturę światła, odrzuca to medium tylko dlatego, że „nie ma wystarczającej ilości eksperymentów, za pomocą których można by dokładnie określić i pokazać prawa działania tego eteru”.

Oczywiście w jego czasach postawienie pytania o właściwości i skład eteru było przedwczesne, ponieważ brakowało nawet takich nauk, jak optyka, elektromagnetyzm, fizyka atomowa i molekularna i wiele innych. I nawet w naszych czasach takie nauki jak jądro atomu i cząstki elementarne wciąż „pływają we mgle”. Co powiedzieć o eterze - kolejnym etapie budowy materii?

Jednak obserwacje, fakty, eksperymenty i wiedza o właściwościach eteru stawały się coraz większe, a wszystkie wielkie i wszelkie znaczące teorie powstały tylko dzięki „mentalnej konstrukcji jego działania”. Einstein i Infeld nazwali to „lasami” dla budowania teorii, które można usunąć na rzecz istnienia ogólnej zasady względności. Ale teraz trudno sobie wyobrazić, że takie nauki jak optyka i teoria elektromagnetyczna powstałyby, gdyby pojawiła się przed nimi ogólna zasada względności.

„Teoria falowa pokonała teorię wygaśnięcia Newtona z nienaganną jakościową i ilościową dokładnością jej przewidywań” (S. Wawiłow) i nie tylko. Po pierwsze, niezależności prędkości światła od prędkości źródła nie da się wytłumaczyć teorią odpływu. Newton po prostu uważał, że prędkość fotonów dodaje się do prędkości źródła. Po drugie, teoria wydechu przewidywała wzrost prędkości światła w gęstszym ośrodku, podczas gdy teoria fal Huygensa przewidywała spadek tej prędkości. Bezpośrednie eksperymenty pomiaru prędkości w gęstym ośrodku przeprowadzone przez Fizeau i Foucaulta potwierdziły falowy charakter światła.

Falowa teoria światła została potwierdzona zarówno w pracach teoretycznych, jak i eksperymentalnych Faradaya, Maxwella, Hertza, Lebiediewa i innych badaczy. Maxwell, na przykład, w swoim „Traktacie…” napisał: „… ośrodek świetlny, gdy przechodzi przez niego światło, służy jako zbiornik energii. W teorii falowej opracowanej przez Huygensa, Fresnela, Younga, Greena i innych energia ta jest uważana za częściowo potencjalną, a częściowo kinetyczną. Uważa się, że energia potencjalna jest spowodowana odkształceniem elementarnych objętości ośrodka, co oznacza, że ​​musimy uznać ośrodek za sprężysty. Uważa się, że energia kinetyczna jest spowodowana ruchem oscylacyjnym ośrodka, więc musimy założyć, że ośrodek ma skończoną gęstość. Przyjęta w tym traktacie teoria elektryczności i magnetyzmu uznaje istnienie dwóch rodzajów energii - elektrostatycznej i elektrokinetycznej i zakłada się, że są one zlokalizowane nie tylko ... w ciałach, ale także w każdej części otaczającej przestrzeni ... Dlatego nasza teoria jest spójna z teorią falową w tym sensie, że obie zakładają istnienie ośrodka zdolnego do stania się pojemnikiem na dwa rodzaje energii. Jednocześnie zarówno Maxwell, jak i Faraday, jako ludzie o szerokich poglądach naukowych, wskazywali, że eter jest potrzebny nie tylko do falowej teorii światła (elektrodynamizmu), ale także do transmisji oddziaływań. Ten bardzo ważny argument jest wciąż ignorowany przez współczesnych badaczy ze względu na potrzebę ujrzenia „nowej szaty króla” – krzywizny czasoprzestrzeni.

Oto jak pisał o tym gawędziarz Andersen: „Udawali, że są zręcznymi tkaczami i powiedzieli, że mogą utkać tak cudowną tkaninę, która ma niesamowitą właściwość - staje się niewidoczna dla każdej osoby, która siedzi w niewłaściwym miejscu lub jest niezmiernie głupia . .. „Nie jestem głupi, pomyślał dostojnik. Czy to oznacza, że ​​jestem w złym miejscu? Oto jeden dla Ciebie! Jednak nie możesz tego nawet pokazać!”

S. Wawiłow pisał: „Wydawało się, że teoria falowa triumfowała, ostateczne zwycięstwo... Ale triumf okazał się bardzo przedwczesny... Teoria falowa okazała się bezradna wobec kwantowych praw działania światła. "

Zadajemy sobie teraz pytanie: czy to możliwe, że ten jeden fakt na tle wielu innych może tak drastycznie zmienić opinię naukowców?! Tak, jest dyskretność promieniowania; tak, foton leci jako monolityczna cząstka. Ale czy nie ma podobnego zachowania dźwięku w powietrzu? Lub odwrotnie: czy zachowanie fal elektromagnetycznych nie jest podobne do dźwięku?

Hertz i jego zwolennicy doskonale dostrzegli, że promieniowanie elektromagnetyczne może przenosić się do otaczającej przestrzeni fale sferyczne niezlokalizowane w przestrzeni. (Nawiasem mówiąc, nie są one skwantowane, jak twierdzą współcześni luminarze, ponieważ nie są wynikiem przeskakiwania elektronów z jednej orbity na drugą, ale przyspieszonego ruchu swobodnych elektronów w przewodniku). Dzięki tej właściwości długich fal elektromagnetycznych oglądamy telewizję i słuchamy odbiornika radiowego z dowolnego punktu kuli wokół nadajnika. Jednak gdy tylko częstotliwość fal elektromagnetycznych przekroczy pewną granicę w kierunku wzrostu, pojawia się kierunkowość promieniowania.

To samo dzieje się z dźwiękiem. To prawda, że ​​takie właściwości dźwięku odkryto całkiem niedawno, w związku z wytwarzaniem ultradźwięków. Okazało się, że fale ultradźwiękowe mają ostrą kierunkowość i można je uznać za cząstki zlokalizowane w przestrzeni. Tyle o „bezradności teorii falowej”! Okazuje się, że za każdym razem, gdy sami badacze są bezradni, aby coś wyjaśnić, obwiniają o to mechanikę klasyczną.

Jak pokazał Feynman, prawa oscylacji zależą od częstotliwości, ponieważ od tego zależy charakter procesów zachodzących w ośrodku. Jednak sam był zadowolony tylko z wyprowadzenia równania oscylacji, gdy ciśnienie i temperatura w fali sprężystej zmieniają się adiabatycznie. Żaden z badaczy, w tym Feynman, nie rozważał wysokich częstotliwości drgań w stosunku do średniej swobodnej drogi cząstek, gdy procesy zachodzące w tym przypadku prowadzą do pochłaniania ciepła. W tym przypadku jest dość oczywiste, że oscylacja nie może być propagowana przez falę sferyczną ze względu na rozkład kierunków ruchu poszczególnych cząstek. Może być tylko ostro ukierunkowany, ponieważ częstotliwość oscylacji jest mniejsza niż „częstotliwość” swobodnej ścieżki cząstek.

Z analogii z właściwościami ultradźwięków wynika wniosek, że lokalność wcale nie jest sprzeczna z teorią falową. Co więcej, czy nie okaże się, że powietrze zachowuje się jak metal, a ultradźwięki mają fale poprzeczne?

Fotony, w przeciwieństwie do fal radiowych, mają oprócz lokalności inną ważną właściwość związaną z ich pochodzeniem: ściśle dawkowaną energię. Ta właściwość fotonów związana ze strukturą atomów nie powinna rozciągać się na całe spektrum fal elektromagnetycznych. I tutaj, tym bardziej, stała Plancka jako cecha energii fotonów nie powinna być rozpatrywana w szerszym sensie, jak robiono to ostatnio na każdym kroku w fizyce. Stała Plancka nie ma nic wspólnego z dyskretnością czasu, przestrzeni i masy.

W związku ze ścisłym dawkowaniem energii fotonów powstała nowa nauka - mechanika kwantowa, w której od początku do dziś pozostało kilka nierozwiązanych kwestii. Po pierwsze: dlaczego elektrony atomu, poruszające się po orbicie kołowej lub eliptycznej, nie emitują fotonów, chociaż doświadczają przyspieszenia dośrodkowego? Po drugie: jaki jest mechanizm emisji i pochłaniania fotonów?

Pierwsze pytanie wiąże się z błędnym przekonaniem, które powtarza się we wszystkich podręcznikach i artykułach naukowych dotyczących mechaniki kwantowej. I tak na przykład w „Wybranych rozdziałach fizyki teoretycznej” Semenchenko czytamy: „Elektrony przez długi czas nie mogą poruszać się wokół jądra, ponieważ zgodnie z prawami klasycznej elektrodynamiki każdy szybko poruszający się elektron promieniuje energią elektromagnetyczną. W rezultacie energia kinetyczna elektronu maleje i ostatecznie musi on wpaść do jądra. A Kaigorodsky nawet obliczył w "Physics for All" czas upadku elektronu na jądro - setne sekundy!

Proszę czytelnika o przyjrzenie się równaniu klasycznej elektrodynamiki Webera, które składa się z trzech członów. Pierwszy termin to prawo Coulomba, drugi to zmiana siły oddziaływania w wyniku potencjalnego opóźnienia, trzeci dotyczy naszego tematu promieniowania. Tutaj widzimy, że formuła Webera zawiera skalar odległości między oddziałującymi cząstkami. Oznacza to, że przy stałej odległości między jądrem a elektronem zarówno pierwsza, jak i druga pochodna są równe zeru. Dlatego w tym przypadku nie powinno być potencjalnego opóźnienia i promieniowanie. Oznacza to, że nie każdy szybko poruszający się elektron promieniuje energią. Elektron poruszający się po orbicie kołowej nie powinien promieniować! To zdumiewające, jak długo tak poważny błąd pozostał niezauważony!

Rozwiązanie drugiego pytania zaproponował Huygens. Zasugerował: „Światło powstaje dzięki wstrząsom, jakie poruszające się cząstki ciał zadają cząsteczkom eteru”. Przed pojawieniem się relacji de Broglie dla długości fal to zdanie Huygensa wydawało się „wisieć w powietrzu”. Relacja de Brogliego miała stać się podstawą do badania przyczyn pojawiania się zarówno samej relacji, jak i w konsekwencji fal de Brogliego pojawiania się fotonów. Jednak wniosek Borna, Heisenberga i Bohra o nieoznaczoności mechaniki kwantowej oraz odrzucenie eteru przez Einsteina odwiodły fizyków od tego problemu.

Najwyraźniej należy przyjąć, że fale de Broglie są rzeczywistym procesem „skoku” ruchu cząstek, którego przyczyną jest nierównomierne opóźnienie potencjału, a foton jest segmentem lokalnego (ostro skierowanego) fale eterowe, które mają na początku i na końcu nieco inną częstotliwość oscylacji (szerokość linii widmowej), co wiąże się ze spowolnieniem prędkości elektronu przy przeskakiwaniu z jednej stabilnej orbity na drugą.

Poruszający ruch cząstek będący konsekwencją nierównomiernego opóźnienia potencjału może być rozwiązaniem jeszcze jednego z pytań mechaniki kwantowej - istnienia stabilnych dyskretnych orbit elektronu. Stabilne orbity są najwyraźniej wynikiem rezonansu oscylacji cyklicznych i szokowych.

Tak więc pomimo wielu zaklęć ortodoksyjnych relatywistów, że nie ma i nie może być powrotu do fizyki klasycznej, do eteru, do poglądów mechanicznych, do przyczynowości i do falowych reprezentacji światła, musimy to zrobić, inaczej „będziemy musieli porzuć wszelką nadzieję, że kiedykolwiek zrozumiesz cokolwiek w fizyce"

Literatura:

1. AI Wienik. Termodynamika. Wyższa Szkoła, Mińsk, 1968, s. 434.
2. H. Huygensa. Traktat o świetle. Leiden, 1703. Przeł. od łac. w sob. wyd. G.M. Golin i S.R. Filonowicz „Klasyka nauk fizycznych”, Szkoła Wyższa, 1989, s. 131-140.
3. JK Maxwella. Traktat o elektryczności i magnetyzmie, t. 1, 2, Oxford, 1873. Per. z angielskiego. Nauka, M., 1989.
4. I. Newtona. Optyka, czyli traktat o odbiciach, załamaniach, załamaniach i barwach światła. Londyn, 1706. Przeł. od łac. wyd. G.S. Landsberg, Gostechizdat, Moskwa, 1981.
5. SI. Wawiłow. Oko i słońce. Nauka, M., 1976.
6. G. Hertza. Na bardzo szybkich oscylacjach elektrycznych. Anny. der Ph., ur. 31, ust. 421...448. Za. z nim. w sob. wyd. G.M. Golin i S.R. Filonowicz „Klasyka nauk fizycznych”, Wyższa Szkoła, 1989.
7. G. Hertza. O falach elektrodynamicznych w powietrzu i ich odbiciu. Anny. der Ph., ur. 34, ust. 609...623. Za. z nim. w sob. wyd. G.M. Golin i S.R. Filonowicz „Klasyka nauk fizycznych”, Wyższa Szkoła, 1989.
8. R. Feynman, R. Layton, M. Sands. Feynman Wykłady z fizyki. Za. z angielskiego, t. 3, 4, Mir, M., 1976, s. 391...398.
9. VC. Semenchenko. Wybrane rozdziały fizyki teoretycznej. Oświecenie, M., 1966, s. 131.
10. AI Kitajgorodski. Fizyka dla każdego, t. 3 (Elektrony), Nauka, M., 1979.

Foton jest bezmasową cząstką i może istnieć tylko w próżni. Nie ma również właściwości elektrycznych, to znaczy jego ładunek wynosi zero. W zależności od kontekstu rozważań istnieją różne interpretacje opisu fotonu. Klasyczna (elektrodynamika) przedstawia ją jako falę elektromagnetyczną o polaryzacji kołowej. Foton wykazuje również właściwości cząstki. Taka podwójna idea nazywana jest dualizmem korpuskularno-falowym. Z drugiej strony elektrodynamika kwantowa opisuje cząstkę fotonu jako bozon cechowania, który pozwala na wytworzenie oddziaływania elektromagnetycznego.

Wśród wszystkich cząstek Wszechświata foton ma maksymalną liczbę. Spin (wewnętrzny moment mechaniczny) fotonu jest równy jeden. Ponadto foton może znajdować się tylko w dwóch stanach kwantowych, z których jeden ma rzut spinowy w określonym kierunku równy -1, a drugi równy +1. Ta kwantowa właściwość fotonu znajduje odzwierciedlenie w jego klasycznej reprezentacji jako poprzeczność fali elektromagnetycznej. Masa spoczynkowa fotonu wynosi zero, co implikuje jego prędkość propagacji, która jest równa prędkości światła.

Cząstka fotonowa nie ma właściwości elektrycznych (ładunku) i jest dość stabilna, to znaczy foton nie jest w stanie spontanicznie rozpaść się w próżni. Cząstka ta jest emitowana w wielu procesach fizycznych, na przykład, gdy ładunek elektryczny porusza się z przyspieszeniem, a także skoki energii w jądrze atomu lub samym atomie z jednego stanu do drugiego. Foton może być również absorbowany w procesach odwrotnych.

Dualizm falowo-cząsteczkowy fotonu

Dualizm korpuskularno-falowy tkwiący w fotonie przejawia się w licznych eksperymentach fizycznych. Cząstki fotoniczne uczestniczą w takich procesach falowych jak dyfrakcja i interferencja, gdy wymiary przeszkód (szczeliny, przesłony) są porównywalne z rozmiarami samej cząstki. Jest to szczególnie widoczne w eksperymentach z dyfrakcją pojedynczych fotonów na pojedynczej szczelinie. Również punktowość i korpuskularność fotonu przejawia się w procesach absorpcji i emisji przez obiekty, których wymiary są znacznie mniejsze niż długość fali fotonu. Ale z drugiej strony reprezentacja fotonu jako cząstki również nie jest kompletna, ponieważ obalają ją eksperymenty korelacyjne oparte na splątanych stanach cząstek elementarnych. Dlatego zwyczajowo uważa się cząstkę fotonu, w tym za falę.

Powiązane wideo

Źródła:

• Photon 1099: wszystko o samochodzie

Główna rzecz kwant numer jest całość numer, który jest definicją stanu elektronu na poziomie energetycznym. Poziom energetyczny to zbiór stanów stacjonarnych elektronu w atomie o zbliżonych wartościach energetycznych. Główna rzecz kwant numer określa odległość elektronu od jądra i charakteryzuje energię elektronów zajmujących ten poziom.

Zbiór liczb charakteryzujących stan nazywamy liczbami kwantowymi. O funkcji falowej elektronu w atomie, o jego niepowtarzalnym stanie decydują cztery liczby kwantowe - główna, magnetyczna, orbitalna i śledziona - moment ruchu elementu elementarnego, wyrażony ilościowo. Główna rzecz kwant numer ma n. Jeśli główny kwant numer wzrasta, to odpowiednio wzrasta zarówno orbita, jak i energia elektronu. Im mniejsza wartość n, tym większa wartość oddziaływania energetycznego elektronu. Jeśli całkowita energia elektronów jest minimalna, wówczas stan atomu nazywa się niewzbudzonym lub uziemionym. Stan atomu o wysokiej wartości energetycznej nazywany jest wzbudzonym. Na najwyższym poziomie numer elektrony można określić wzorem N = 2n2.Kiedy elektron przechodzi z jednego poziomu energii na drugi, główny kwant numer.W teorii kwantowej stwierdzenie, że energia elektronu jest skwantowana, to znaczy może przyjmować tylko wartości dyskretne, określone. Aby poznać stan elektronu w atomie, należy wziąć pod uwagę energię elektronu, kształt elektronu i inne parametry. Z dziedziny liczb naturalnych, gdzie n może być równe 1, 2, 3 itd., główny kwant numer może przybrać dowolną wartość. W teorii kwantowej poziomy energii są oznaczane literami, a wartość n liczbami. Liczba okresu, w którym znajduje się pierwiastek, jest równa liczbie poziomów energetycznych w atomie, który jest w stanie podstawowym. Wszystkie poziomy energii składają się z podpoziomów. Podpoziom składa się z orbitali atomowych, które są określane, charakteryzują się głównym kwantem numer m n, orbitalny numer m l i kwant numer m ml. Liczba podpoziomów na każdym poziomie nie przekracza wartości n. Równanie falowe Schrödingera jest najwygodniejszą strukturą elektronową atomu.

Fizyka kwantowa stała się ogromnym impulsem do rozwoju nauki w XX wieku. Prawdziwą rewolucją była próba opisania oddziaływania najmniejszych cząstek w zupełnie inny sposób za pomocą mechaniki kwantowej, gdy niektóre problemy mechaniki klasycznej wydawały się już nie do rozwiązania.

Przyczyny pojawienia się fizyki kwantowej

Fizyka - opisywanie praw, według których funkcjonuje świat. Newtonowski, czyli klasyczny, powstał w średniowieczu, a jego warunki wstępne można było zobaczyć w starożytności. Doskonale wyjaśnia wszystko, co dzieje się w skali postrzeganej przez człowieka bez dodatkowych przyrządów pomiarowych. Ale ludzie napotkali wiele sprzeczności, kiedy zaczęli badać mikro- i makrokosmos, aby badać zarówno najmniejsze cząstki, z których składa się materia, jak i gigantyczne galaktyki otaczające Drogę Mleczną, rodzime dla człowieka. Okazało się, że fizyka klasyczna nie do wszystkiego się nadaje. Tak pojawiła się fizyka kwantowa - nauka, mechanika kwantowa i kwantowe układy pola. Techniki badania fizyki kwantowej to mechanika kwantowa i kwantowa teoria pola. Wykorzystywane są również w innych pokrewnych gałęziach fizyki.

Główne postanowienia fizyki kwantowej w porównaniu z klasyczną

Dla tych, którzy dopiero zapoznają się z fizyką kwantową, jej postanowienia często wydają się nielogiczne, a nawet absurdalne. Jednak zagłębiając się w nie, już teraz znacznie łatwiej prześledzić logikę. Najprostszym sposobem poznania podstawowych zasad fizyki kwantowej jest porównanie jej z fizyką klasyczną.

Jeśli w fizyce klasycznej uważa się, że natura jest niezmienna, bez względu na to, jak naukowcy ją opisują, to w fizyce kwantowej wynik obserwacji będzie w dużej mierze zależał od zastosowanej metody pomiaru.

Zgodnie z prawami mechaniki Newtona, które są podstawą fizyki klasycznej, cząstka (lub punkt materialny) w każdym momencie czasu ma określoną pozycję i prędkość. Tak nie jest w mechanice kwantowej. Opiera się na zasadzie superpozycji odległości. Oznacza to, że jeśli cząstka kwantowa może znajdować się w jednym i drugim stanie, to może również znajdować się w trzecim stanie - sumie dwóch poprzednich (nazywa się to kombinacją liniową). Dlatego nie można dokładnie określić, gdzie cząsteczka będzie w określonym momencie. Można tylko obliczyć prawdopodobieństwo, że jest gdziekolwiek.

Jeśli w fizyce klasycznej można skonstruować trajektorię ruchu ciała fizycznego, to w fizyce kwantowej będzie to tylko rozkład prawdopodobieństwa, który będzie się zmieniał w czasie. W tym przypadku maksimum rozkładu znajduje się zawsze tam, gdzie jest określone przez mechanikę klasyczną! Jest to bardzo ważne, ponieważ pozwala po pierwsze prześledzić związek między mechaniką klasyczną a kwantową, a po drugie pokazuje, że nie są one ze sobą sprzeczne. Można powiedzieć, że fizyka klasyczna jest szczególnym przypadkiem kwantu.

Prawdopodobieństwo w fizyce klasycznej pojawia się, gdy pewne właściwości obiektu są nieznane badaczowi. W fizyce kwantowej prawdopodobieństwo jest fundamentalne i zawsze obecne, niezależnie od stopnia niewiedzy.

W mechanice klasycznej dozwolone są dowolne wartości energii i prędkości dla cząstki, a w mechanice kwantowej tylko pewne wartości „skwantowane”. Nazywane są wartościami własnymi, z których każda ma swój własny stan. Kwant to „porcja” pewnej ilości, której nie można podzielić na składniki.

Jedną z podstawowych zasad fizyki kwantowej jest zasada nieoznaczoności Heisenberga. Chodzi o to, że nie będzie możliwe jednoczesne ustalenie zarówno prędkości, jak i położenia cząstki. Tylko jedna rzecz może być zmierzona. Co więcej, im lepiej urządzenie mierzy prędkość cząstki, tym mniej będzie wiedziało o jej położeniu i na odwrót.

Faktem jest, że aby zmierzyć cząstkę, musisz „na nią spojrzeć”, to znaczy wysłać w jej kierunku cząstkę światła - foton. Ten foton, o którym badacz wie wszystko, zderzy się z mierzoną cząstką i zmieni swoje właściwości. Jest to mniej więcej to samo, co pomiar prędkości poruszającego się samochodu, wysłanie do niego innego samochodu ze znaną prędkością, a następnie, korzystając ze zmienionej prędkości i trajektorii drugiego samochodu, zbadaj pierwszy. W fizyce kwantowej obiekty badane są tak małe, że nawet fotony – cząstki światła – zmieniają swoje właściwości.

Foton to cząstka elementarna, kwant promieniowania elektromagnetycznego.

Energia fotonu: ε = hv, gdzie h = 6,626 10 -34 J s jest stałą Plancka.

Masa fotonu: m = hv/c 2 . Ta formuła jest otrzymywana ze wzorów

ε = hv i ε = mc 2 . Masa, określona wzorem m = h·v/c 2 , jest masą poruszającego się fotonu. Foton nie ma masy spoczynkowej (m 0 = 0), ponieważ nie może istnieć w spoczynku.

Pęd fotonu: Wszystkie fotony poruszają się z prędkością c = 3,10 8 m/s. Oczywiście pęd fotonu to P = m c, co implikuje, że

P = hv/c = h/λ.

4. Zewnętrzny efekt fotoelektryczny. Charakterystyka woltamperowa efektu fotoelektrycznego. Prawa Stoletowa. równanie Einsteina

Zewnętrzny efekt fotoelektryczny to zjawisko emisji elektronów przez substancję pod wpływem światła.

Zależność prądu od napięcia w obwodzie nazywana jest charakterystyką prądowo-napięciową fotokomórki.

1) Liczba fotoelektronów N' e uciekających z katody w jednostce czasu jest proporcjonalna do natężenia światła padającego na katodę (prawo Stoletowa). Innymi słowy: prąd nasycenia jest proporcjonalny do mocy promieniowania padającego na katodę: Ń f = P/ε f.

2) Maksymalna prędkość elektronu V max na wyjściu z katody zależy tylko od częstotliwości światła ν i nie zależy od jego natężenia.

3) Dla każdej substancji istnieje graniczna częstotliwość światła ν 0, poniżej której nie obserwuje się efektu fotoelektrycznego: v 0 = A out/h. Równanie Einsteina: ε = A out + mv 2 max /2, gdzie ε = hv to energia pochłoniętego fotonu, A out to praca elektronu z substancji, mv 2 max/2 to maksymalna energia kinetyczna emitowany elektron.

Równanie Einsteina jest w rzeczywistości jedną z form pisania prawa zachowania energii. Prąd w fotokomórce zatrzyma się, jeśli wszystkie wyemitowane fotoelektrony zwolnią przed dotarciem do anody. W tym celu konieczne jest przyłożenie do fotokomórki napięcia zwrotnego (opóźniającego) u, którego wartość również wynika z zasady zachowania energii:

|e|u s = w.m 2 max /2.

5. Lekki nacisk

Lekki nacisk to nacisk wywierany przez światło padające na powierzchnię ciała.

Jeśli rozpatrujemy światło jako strumień fotonów, to zgodnie z zasadami mechaniki klasycznej cząstki uderzające w ciało muszą przenosić pęd, czyli wywierać nacisk. To ciśnienie jest czasami nazywane ciśnieniem promieniowania. Aby obliczyć nacisk światła, możesz użyć następującego wzoru:

p = W/c(1+ p), gdzie W jest ilością energii promieniowania padającej normalnie na 1 m2 powierzchni w ciągu 1 s; c to prędkość światła, p- współczynnik odbicia.

Jeśli światło pada pod kątem do normalnej, ciśnienie można wyrazić wzorem:

6. Compton - efekt i jego wyjaśnienie

Efekt Comptona (efekt Comptona) to zjawisko zmiany długości fali promieniowania elektromagnetycznego w wyniku jego rozpraszania przez elektrony.

W przypadku rozpraszania przez elektron w spoczynku częstotliwość rozproszonego fotonu wynosi:

gdzie jest kątem rozpraszania (kąt między kierunkami propagacji fotonów przed i po rozpraszaniu).

Długość fali Comptona jest parametrem wymiaru długości charakterystycznym dla relatywistycznych procesów kwantowych.

λ C \u003d h / m 0 e c \u003d 2,4 ∙ 10 -12 m - długość fali Comptona elektronu.

Wyjaśnienie efektu Comptona jest niemożliwe w ramach klasycznej elektrodynamiki. Z punktu widzenia fizyki klasycznej fala elektromagnetyczna jest obiektem ciągłym i nie powinna zmieniać swojej długości w wyniku rozpraszania przez elektrony swobodne. Efekt Comptona jest bezpośrednim dowodem kwantyzacji fali elektromagnetycznej, innymi słowy potwierdza istnienie fotonu. Efekt Comptona jest kolejnym dowodem słuszności dualizmu korpuskularno-falowego mikrocząstek.