Корпускулярно-волновая природа излучения

Волновые свойства света были экспериментально установлены ещё в 17-м столетии. О волновой природе света неопровержимо свидетельствуют чисто волновые явления дифракции - огибания небольших пространственных препятствий световой волной, а далее интерференции – возникновения пространственно чередующихся областей взаимного усиления (в фазе) и взаимного ослабления (в противофазе) налагающихся когерентных волн, исходящих из двух или нескольких точек пространства (кольца Ньютона, зоны Френеля и т. д.). Механические волны распространяются в сплошной среде, и для световой волны по аналогии также постулировали гипотетическую сплошную среду, которую назвали эфиром.

Во 2-й половине 19 века открыли электромагнитное поле, и стало ясно, что световая волна представляет его колебания, а эфир - не более, чем гипотетическая модель непрерывной среды. Ожидаемые свойства эфира не подтвердились. Оказалось, что оптический видимый диапазон длин волн охватывает лишь очень малую часть огромной шкалы электромагнитного спектра, он в длинноволновой области переходит в радиочастотный диапазон, а в коротковолновой – в рентгеновское, а далее в -излучение.

Волновая теория, вытекающая из электродинамики, до мельчайших особенностей объяснила все геометрические закономерности распространения излучения в пространстве, и в терминах механики это означает, что кинематика света подчиняется волновым законам.

На рубеже 19-20 веков были экспериментально открыты факты, которые не укладывались в волновую концепцию света. Все такие явления затрагивают взаимодействие излучения и вещества – законы поглощения и испускания (абсорбции и эмиссии) света. Рентгеновское излучение, имеет ту же природу, что и видимый свет. Это обычное электромагнитное поле, но отличается от оптического диапазона очень малыми длинами волн, наименьшими из известных в то время. При описании свойств коротковолнового излучения не удалось ограничиться лишь волновыми законами, и пришлось ввести корпускулярные представления о структуре электромагнитного поля.

Среди первичных явлений, необъяснимых без корпускулярной модели оказались фотоэффект, термодинамика равновесного излучения абсолютно чёрным телом, и рассеяние рентгеновского излучения веществом (эффект Комптона). Для количественного описания экспериментальных фактов потребовалось ввести представления об элементарных частицах электромагнитного излучения – фотонах, а переносимые ими порции энергии были названы квантами. Особенность фотонов состоит в том, что их масса покоя нулевая.

Возникла, как показалось на первый взгляд, противоречивая ситуация.

С одной стороны движущееся электромагнитное поле - непрерывная среда, а с другой структурно-дискретное образование – поток частиц-фотонов.

Кинематика поля оказалась волновой, а динамика - корпускулярной.

Эта двойственная ситуация получила название корпускулярно-волнового дуализма. Однако природа едина, а причину противоречий следует искать лишь в логической и фактической неполноте исходных приёмов построения нашего знания - тех первоначальных разделов классической теории (механики и термодинамики), на основе которых делались попытки интерпретации фактов, выходящих за пределы их компетенции.

Физически обоснованные представления о том, что световая материя состоит из отдельных частиц, появлялись ещё в 17 веке. Сам гениальный Ньютон полагал, что свет состоит из частиц – корпускул, и это "вопреки"(!) опытам - его же собственным по интерференции света и великого Гюйгенса по двойному лучепреломлению света. Это пример поразительной интуиции учёного. Cтавшие основой вычислений в квантовой механике процедура симметризации полиномов принадлежат также Ньютону !!!

С одной стороны из классической электродинамики вытекает, что электромагнитное поле переносит энергию, а следовательно, обладает и массой, и импульсом. Энергия и масса электромагнитного поля связаны между собой хорошо известным соотношением, которое впервые из волновой теории электромагнитного поля Максвелла вывел Хевисайд.

После уже Эйнштейн ввёл её в специальной теории относительности в качестве универсального соотношения для любых форм материи:

. (1.1)

С другой стороны электромагнитное поле имеет зернистую структуру, и квант его энергии согласно Планку равен

. (1.2)

Отсюда для световой частицы - фотона получается равенство , и следует выражение для длины волны светового излучения:

Copyright © 2024 - All Rights Reserved - www.chemicalnow.ru