الخصائص الجسيمية للضوء. نظريات الموجة والجسم. الخصائص الجسيمية للضوء ما هي المعلمات التي تحدد الخصائص الجسيمية للضوء

وفقًا لمفاهيم الفيزياء الكلاسيكية ، فإن الضوء عبارة عن موجات كهرومغناطيسية في نطاق تردد معين. ومع ذلك ، فإن تفاعل الضوء مع المادة يحدث كما لو كان الضوء عبارة عن تيار من الجسيمات.

في زمن نيوتن ، كانت هناك فرضيتان حول طبيعة الضوء - جسيميالتي التزم بها نيوتن ، و لوح. مزيد من التطوير للتقنية والنظرية التجريبية جعل الاختيار لصالح نظرية الموجة .

لكن في بداية القرن العشرين. نشأت مشاكل جديدة: لا يمكن تفسير تفاعل الضوء مع المادة في إطار نظرية الموجة.

عندما تضاء قطعة من المعدن بالضوء ، تطير الإلكترونات منها ( التأثير الكهروضوئي). كان من المتوقع أن تكون سرعة الإلكترونات المنبعثة (طاقتها الحركية) أكبر ، وكلما زادت طاقة الموجة الساقطة (شدة الضوء) ، لكن اتضح أن سرعة الإلكترونات عمومًا لا تعتمد على شدة الضوء ، ولكن يتم تحديده من خلال تردده (اللون).

يعتمد التصوير الفوتوغرافي على حقيقة أن بعض المواد تصبح داكنة بعد الإضاءة بالضوء والمعالجة الكيميائية اللاحقة ، ودرجة اسودادها تتناسب مع الإضاءة ووقت التعرض. إذا أضاءت طبقة من هذه المادة (لوحة فوتوغرافية) بالضوء بتردد معين ، فبعد التطوير ، سيتحول السطح المتجانس إلى اللون الأسود. مع انخفاض شدة الضوء ، سنحصل على أسطح متجانسة مع سواد أقل وأقل (درجات مختلفة من الرمادي). وينتهي كل ذلك بحقيقة أنه في الإضاءة المنخفضة جدًا ، لا نحصل على درجة صغيرة جدًا من اسوداد السطح ، ولكن النقاط السوداء مبعثرة بشكل عشوائي على السطح! كما لو أن الضوء أصاب هذه الأماكن فقط.

أجبرت ملامح تفاعل الضوء مع المادة الفيزيائيين على العودة إليها نظرية الجسيمات.

يحدث تفاعل الضوء مع المادة كما لو كان الضوء عبارة عن تيار من الجسيمات ، طاقةو نبضالتي ترتبط بتواتر الضوء بواسطة العلاقات

ه =hv.ع =ه /ج =hv /ج ،

أين ح هو ثابت بلانك.تسمى هذه الجسيمات الفوتونات.

التأثير الكهروضوئييمكن فهمه إذا أخذ المرء وجهة النظر نظرية الجسيماتواعتبر الضوء تيار من الجسيمات. ولكن بعد ذلك تبرز المشكلة ، ما يجب فعله بخصائص الضوء الأخرى ، والتي تم التعامل معها من خلال فرع واسع من الفيزياء - بصرياتاستنادًا إلى حقيقة أن الضوء عبارة عن موجة كهرومغناطيسية.

يعتبر الموقف الذي يتم فيه شرح الظواهر الفردية باستخدام افتراضات خاصة لا تتوافق مع بعضها البعض أو حتى تتعارض مع بعضها البعض غير مقبول ، لأن الفيزياء تدعي إنشاء صورة موحدة للعالم. وتأكيد صحة هذا الادعاء كان مجرد حقيقة أنه قبل وقت قصير من الصعوبات التي نشأت فيما يتعلق بالتأثير الكهروضوئي ، تم تقليل البصريات إلى الديناميكا الكهربائية. الظواهر التشوشو الانحرافبالتأكيد لا تتفق مع الأفكار حول الجسيمات ، ولكن بعض خصائص الضوء موضحة بشكل جيد من كلا وجهتي النظر. موجه كهرومغناطيسيةلديه الطاقة والزخم ، والزخم يتناسب مع الطاقة. عندما يمتص الضوء ، فإنه ينقل زخمه ، أي قوة ضغط تتناسب مع شدة الضوء على الحاجز. يمارس تدفق الجسيمات أيضًا ضغطًا على الحاجز ، ومع وجود علاقة مناسبة بين طاقة الجسيم وزخمه ، سيكون الضغط متناسبًا مع شدة التدفق. كان من الإنجازات المهمة لهذه النظرية تفسير تشتت الضوء في الهواء ، ونتيجة لذلك اتضح ، على وجه الخصوص ، لماذا السماء زرقاء. يتبع من النظرية أن تردد الضوء لا يتغير أثناء التشتت.

ومع ذلك ، إذا كنت تأخذ وجهة النظر نظرية الجسيماتواعتبر أن خاصية الضوء ، والتي ترتبط في نظرية الموجة بالتردد (اللون) ، في نظرية الجسيمات ترتبط بطاقة الجسيم ، اتضح أنه أثناء التشتت (اصطدام الفوتون بجسيم مشتت) ، يجب أن تنخفض طاقة الفوتون المتناثر. أظهرت التجارب التي أجريت خصيصًا على تشتت الأشعة السينية ، والتي تتوافق مع جسيمات ذات طاقة أعلى بثلاث مرات من الضوء المرئي ، أن نظرية الجسيماتصحيح. يجب اعتبار الضوء تيارًا من الجسيمات ، وقد تم شرح ظاهرة التداخل والانحراف في إطار نظرية الكم. لكن في الوقت نفسه ، تغير أيضًا مفهوم الجسيم ككائن صغير الحجم بشكل متلاشي ، يتحرك على طول مسار معين وله سرعة معينة في كل نقطة.

لا تلغي النظرية الجديدة النتائج الصحيحة للنظرية القديمة ، لكنها يمكن أن تغير تفسيرها. لذلك ، إذا كان في نظرية الموجةيرتبط اللون بطول الموجة جسيميإنها مرتبطة بطاقة الجسيم المقابل: الفوتونات التي تسبب الإحساس باللون الأحمر في أعيننا لديها طاقة أقل من تلك الخاصة باللون الأزرق. مواد من الموقع

بالنسبة للضوء ، أجريت تجربة باستخدام الإلكترونات (تجربة يونغ ها).إضاءة الشاشة خلف الشقوق لها نفس شكل الإلكترونات وهذه الصورة تدخل خفيف ،السقوط على الشاشة من شقين ، كان بمثابة دليل على طبيعة موجة الضوء.

مشكلة متعلقة بـ الخصائص الموجية والجسيمية للجسيمات، في الواقع تاريخ طويل. اعتقد نيوتن أن الضوء عبارة عن تيار من الجسيمات. لكن في الوقت نفسه ، كانت الفرضية حول طبيعة موجة الضوء ، المرتبطة على وجه الخصوص ، باسم Huygens ، متداولة. تم شرح البيانات المتعلقة بسلوك الضوء التي كانت موجودة في ذلك الوقت (الانتشار المستقيم ، والانعكاس ، والانكسار ، والتشتت) بشكل جيد من كلا وجهتي النظر. في هذه الحالة ، بالطبع ، لا يمكن قول شيء محدد عن طبيعة موجات الضوء أو الجسيمات.

في وقت لاحق ، ومع ذلك ، بعد اكتشاف الظواهر التشوشو الانحرافسفيتا ( التاسع عشر في وقت مبكرج) تم التخلي عن فرضية نيوتن. معضلة "الموجة أو الجسيم" للضوء تم حلها تجريبياً لصالح الموجة ، على الرغم من أن طبيعة الموجات الضوئية ظلت غير واضحة. علاوة على ذلك ، أصبحت طبيعتها واضحة. تبين أن الموجات الضوئية هي موجات كهرومغناطيسية ذات ترددات معينة ، أي انتشار الاضطراب حقل كهرومغناطيسي. يبدو أن نظرية الموجة قد انتصرت أخيرًا.

في هذه الصفحة ، مادة حول الموضوعات:

في عشرينيات القرن الماضي ، ثبت أن أي جسيم له طبيعة موجية جسمية. وفقًا لنظرية L. de Broglie (1924) ، فإن كل جسيم له زخم يتوافق مع عملية موجة بطول موجي λ ، أي λ = ح / ص. كلما كانت كتلة الجسيم أصغر ، كلما زاد الطول الموجي. بالنسبة الجسيمات الأوليةصاغ دبليو هايزنبرغ مبدأ عدم اليقين ، والذي بموجبه من المستحيل تحديد موضع الجسيم في الفضاء وزخمه في نفس الوقت. لذلك ، من المستحيل حساب مسار الإلكترون في مجال النواة ؛ يمكن للمرء فقط تقدير احتمال وجوده في الذرة باستخدام وظيفة الموجةψ ، الذي يحل محل المفهوم الكلاسيكي للمسار. تحدد دالة الموجة ψ سعة الموجة اعتمادًا على إحداثيات الإلكترون ، ويحدد مربعها ψ 2 التوزيع المكانيإلكترون في ذرة. في أبسط نسخة ، تعتمد الدالة الموجية على ثلاثة إحداثيات مكانية وتجعل من الممكن تحديد احتمال العثور على إلكترون في الفضاء الذري أو المداري. في هذا الطريق، المدار الذري(AO) هي منطقة من الفضاء الذري يكون فيها احتمال العثور على إلكترون أكبر. يتم الحصول على وظائف الموجة من خلال حل العلاقة الأساسية لميكانيكا الموجة - معادلة شرودنغر. (يتم الحصول على المحلول الدقيق لذرة الهيدروجين أو أيونات شبيهة بالهيدروجين ؛ وتستخدم تقديرات تقريبية مختلفة لأنظمة متعددة الإلكترونات). السطح الذي يحد من 90-95٪ من احتمالية إيجاد كثافة إلكترون أو إلكترون يسمى الحد. المدار الذري وكثافة السحابة الإلكترونية لهما نفس السطح الحدودي (الشكل) ونفس الاتجاه المكاني. تعتمد المدارات الذرية للإلكترون وطاقتها واتجاهها في الفضاء على أربع معلمات - عدد الكمية.

يمثل البرنامج تجربة كمبيوتر على مرور شعاع إلكتروني من خلال شق أو شقين. يسمح لك بالتعرف على مظهر الطبيعة المزدوجة للأجسام الدقيقة ، أي وجود خصائصها الموجية والجسيمية. تم توضيح مبدأ عدم اليقين لهايزنبرغ.

من المعروف أن للضوء خصائص موجية وجسيمية. تظهر خصائص الموجة في انتشار الضوء(تداخل ، حيود). تظهر الخصائص الجسيمية عندما تفاعل الضوءمع المادة (التأثير الكهروضوئي ، انبعاث وامتصاص الضوء بواسطة الذرات).

خصائص الفوتون كجسيم (طاقة هوالزخم ص) بخصائصها الموجية (التردد ν وطول الموجة λ) من خلال العلاقات

أين ح= 6.63 10-34 جول ث - ثابت بلانك.

اقترح الفيزيائي الفرنسي لويس دي برولي في عام 1924 أن الجمع بين خصائص الموجة والجسيمات متأصل ليس فقط في الضوء ، ولكن أيضًا في أي الجسم المادي. وفقا لدي برولي ، فإن كل جسم كتلة متتحرك بسرعة الخامس، يتوافق مع عملية الموجة ذات الطول الموجي

تتجلى خصائص الموجة بشكل واضح في الجسيمات الأولية. وذلك لأن الطول الموجي ، نظرًا للكتلة الصغيرة للجسيمات ، يمكن مقارنته بالمسافة بين الذرات في المشابك البلورية. في هذه الحالة ، عندما يتفاعل شعاع الجسيمات مع الشبكة البلورية ، الانحراف. على سبيل المثال ، تتطابق الإلكترونات التي تبلغ طاقتها 150 إلكترون فولت مع الطول الموجي λ 10-10 م ، والمسافات بين الذرية في البلورات لها نفس الترتيب. لذلك ، سوف تنتشر شعاع الإلكترون على البلورة كموجة ، أي وفقًا لقوانين الانعراج.

للتوضيح خصائص الموجةغالبًا ما تستخدم الجسيمات تجربة فكرية - مرور شعاع إلكتروني (أو جسيمات أخرى) عبر شق عرض Δ x. من وجهة نظر نظرية الموجة ، بعد الانعراج بالشق ، سوف تتسع الحزمة مع اختلاف زاوي θ ≈ λ / Δ x. من وجهة النظر الجسدية ، يفسر اتساع الحزمة بعد المرور عبر الشق بظهور زخم عرضي معين في الجسيمات. انتشار قيم هذا الزخم المستعرض ("عدم اليقين") هو

نسبة

Δ مقصفΔ x ≈ ح

يسمى علاقات عدم اليقين. تعبر هذه النسبة في اللغة الجسدية عن وجود خصائص الموجة في الجسيمات.

يمكن أن تكون تجربة مرور شعاع إلكتروني عبر شقين متقاربين بمثابة توضيح أوضح لخصائص موجات الجسيمات. هذه التجربة تشبه البصري تجربة تدخل يونغ.

الخصائص الموجية والجماعية للضوء

جامعة ولاية كوستروما
1 May Street، 14، Kostroma، Russia
بريد الالكتروني: *****@؛ ***** @ ***

يستنتج منطقيا إمكانية اعتبار الضوء كسلسلة دورية لإثارة الفراغ المادي. نتيجة لهذا النهج ، يتم شرح الطبيعة الفيزيائية للموجة والخصائص الجسدية للضوء.

يتم تقديم استنتاج منطقي لإمكانية اعتبار الضوء كسلسلة من فترات الإثارة الجسدية في الفراغ في المقالة. نتيجة لمثل هذا النهج ، يتم هنا شرح الطبيعة الفيزيائية للموجة والخصائص الجسدية للضوء.

مقدمة

توقفت المحاولات التي تعود إلى قرون لفهم الطبيعة الفيزيائية لظواهر الضوء في بداية القرن العشرين من خلال إدخال الخصائص المزدوجة للمادة في بديهيات النظرية. بدأ الضوء يعتبر موجة وجسيم في نفس الوقت. ومع ذلك ، تم بناء نموذج الكم الإشعاعي رسميًا ، ولا يوجد حتى الآن فهم واضح للطبيعة الفيزيائية لكمية الإشعاع.

هذا العمل مكرس لتشكيل جديد المفاهيم النظريةحول الطبيعة الفيزيائية للضوء ، والتي يجب أن تفسر نوعيا الموجة و الخصائص الجسديةسفيتا. في وقت سابق ، تم نشر الأحكام الرئيسية للنموذج المطور والنتائج التي تم الحصول عليها في إطار هذا النموذج:

1. الفوتون عبارة عن مجموعة من الاستثارات الأولية للفراغ المنتشر في الفضاء على شكل سلسلة من الإثارات ذات قيمة ثابتة بالنسبة لسرعة الفراغ ، بغض النظر عن السرعة. بالنسبة للمراقب ، تعتمد سرعة الفوتون على سرعة الراصد بالنسبة إلى الفراغ ، والتي تم تشكيلها منطقيًا على أنها مساحة مطلقة.

2. الإثارة الفراغية الأولية هي زوج من الفوتونات ، ثنائي القطب يتكون من جسيمين (+) و (-) مشحونين. تدور ثنائيات الأقطاب ولها زخم زاوي ، مما يؤدي بشكل جماعي إلى تكوين دوران الفوتون. يرتبط نصف قطر دوران الفوتونات والسرعة الزاوية بالاعتماد Rω = const.

3. يمكن اعتبار الفوتونات بمثابة إبر أسطوانية رفيعة وطويلة. تتشكل الأسطح الخيالية للإبر الأسطوانية من خلال مسارات لولبية للفوتونات. كلما زاد تردد الدوران ، كانت إبرة الفوتون أرق. تحدد ثورة واحدة كاملة لزوج من الفوتونات الطول الموجي في الفضاء على طول اتجاه الحركة.

4. يتم تحديد طاقة الفوتون من خلال عدد أزواج الفوتون n في فوتون واحد: ε = nhE ، حيث hE هي قيمة مساوية لثابت بلانك بوحدات الطاقة.

5. يتم الحصول على القيمة الكمية للفوتون المغزلي ћ. تم إجراء تحليل للعلاقة بين الطاقة والمعلمات الحركية للفوتون. كمثال ، يتم حساب المعلمات الحركية للفوتون الناتج عن انتقال 3d2p في ذرة الهيدروجين. طول الفوتون في الجزء المرئي من الطيف هو بالمتر.

6. تم حساب كتلة زوج من الفوتونات m0 = 1.474 10-53 جم ، والتي تتطابق بترتيب الحجم مع التقدير الأعلى لكتلة الفوتون 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 النظرية الحديثة.

7. تم التوصل إلى استنتاج حول التغيير في الثوابت C و h عندما يتحرك الفوتون في مجال الجاذبية.

من التركيب الدوري للفوتون ، يكون سبب الخصائص الموجية للضوء واضحًا بشكل بديهي: رياضيات الموجة كعملية التذبذب الميكانيكيالبيئة المادية ، ورياضيات العملية الدورية من أي طبيعة نوعية ، تتطابق. تقدم الأوراق شرحًا نوعيًا للخصائص الموجية والجسيمية للضوء. تواصل هذه المقالة تطوير الأفكار حول الطبيعة الفيزيائية للضوء.

خصائص موجة الضوء

كما ذكرنا سابقًا ، فإن عناصر الدورية المرتبطة بالطبيعة الفيزيائية للضوء تتسبب في ظهور خصائص الموجة. تم إنشاء مظهر من مظاهر الخصائص الموجية للضوء من خلال العديد من الملاحظات والتجارب ، وبالتالي لا يمكن أن يكون موضع شك. تم تطوير نظرية الموجات الرياضية لتأثير دوبلر والتداخل والحيود والاستقطاب والتشتت وامتصاص وتشتت الضوء. ترتبط نظرية الموجة للضوء عضوياً بالبصريات الهندسية: في الحد ، مثل l → 0 ، يمكن صياغة قوانين البصريات بلغة الهندسة.

نموذجنا لا يلغي الجهاز الرياضي لنموذج الموجة. الهدف الرئيسي والنتيجة الرئيسية لعملنا هو إدخال مثل هذه التغييرات في بديهيات النظرية التي تعمق فهم الجوهر المادي للظاهرة وتزيل المفارقات.

المفارقة الرئيسية للمفاهيم الحديثة للضوء هي ازدواجية موجة-جسيم (CWD). وفقًا لقوانين المنطق الصوري ، لا يمكن للضوء أن يكون موجة وجسيمًا بالمعنى التقليدي لهذه المصطلحات. ينطوي مفهوم الموجة على استمرارية ، ووسط متجانس تنشأ فيه اضطرابات دورية لعناصر السلسلة المتصلة. مفهوم الجسيم يعني عزل واستقلالية العناصر الفردية. التفسير المادي لـ HPC ليس بهذه البساطة.

إن الجمع بين نماذج الجسيمات والموجات وفقًا لمبدأ "الموجة هي اضطراب في مجموعة من الجسيمات" يثير اعتراضًا ، نظرًا لأنه يعتبر ثابتًا أن جسيمًا منفردًا من الضوء له خصائص موجية. تم اكتشاف تداخل الفوتونات التي نادرا ما تطير من قبل جانوشي ، ولكن النتائج الكمية والتفاصيل والتحليل التفصيلي للتجربة في دورة تدريبيةرقم. لا تتوفر معلومات حول مثل هذه النتائج الأساسية المهمة سواء في الكتب المرجعية أو في الدورة التدريبية حول تاريخ الفيزياء. على ما يبدو ، فإن مسألة الطبيعة الفيزيائية للضوء هي بالفعل خلفية عميقة للعلم.

دعونا نحاول إعادة بناء المعلمات الكمية لتجربة يانوشي ، والتي تعتبر ضرورية منطقيًا لتفسير النتائج ، وذلك باستخدام وصف بخيل لتجارب مماثلة بواسطة بيبرمان وسوشكين وفابريكانت مع الإلكترونات. من الواضح ، في تجربة يانوشي ، أن نمط التداخل الذي تم الحصول عليه من نبضة ضوئية قصيرة ذات كثافة عالية JB تمت مقارنتها بالنمط الذي تم الحصول عليه على مدى فترة طويلة من تدفق الفوتون الضعيف JM. يتمثل الاختلاف الأساسي بين الحالتين قيد النظر في أنه في حالة تدفق JM ، يجب استبعاد تفاعل الفوتونات داخل جهاز الانعراج.

نظرًا لأن Janoshi لم يجد أي اختلاف في أنماط التداخل ، فلنرى الشروط اللازمة لذلك في إطار نموذجنا.

يمر فوتون بطول Lf = 4.5 m نقطة معينةخلال الوقت τ = Lf / C = 4.5 / 3 108 1.5 10–8 s. إذا كان حجم نظام الحيود (الجهاز) حوالي 1 متر ، فسيكون وقت مرور الجهاز بفوتون بطول Lf أطول: τ '= (Lf + 1) / C ≈ 1.8 10–8 ثوانٍ.

لا يستطيع مراقب خارجي رؤية فوتونات مفردة. إن محاولة إصلاح الفوتون تدمره - لا يوجد خيار آخر "لرؤية" جسيم ضوئي متعادل كهربائيًا. تستخدم التجربة خصائص متوسط الوقت للضوء ، ولا سيما الكثافة (الطاقة لكل وحدة زمنية). حتى لا تتقاطع الفوتونات داخل جهاز الانعراج ، من الضروري فصلها في الفضاء على طول مسار الحركة بحيث يكون وقت مرور الجهاز τ 'أقل من الوقت الذي يفصل بين وصول الفوتونات المتتالية إلى التركيب ، أي τ '< t, или t >1.8 × 10 - 8 ثوانٍ.

في التجارب التي أجريت على الإلكترونات ، كان متوسط الفاصل الزمني بين جسيمين يمران على التوالي عبر نظام الحيود حوالي 3-4 مرات أطول من الوقت الذي يقضيه إلكترون واحد في المرور عبر الجهاز بأكمله. بالنسبة للجسيمات النقطية ، هذه العلاقة مقنعة.

تختلف تجربة الضوء عن تجربة الإلكترونات. إذا كان من الممكن التحكم في تفرد الإلكترونات بسبب تشوه طفيف في طاقتها ، فهذا مستحيل مع الفوتونات. في تجربة الفوتونات ، لا يمكن أن يكتمل الاعتقاد بعزل الفوتونات في الفضاء ؛ من الممكن إحصائيًا أن يصل فوتونان في وقت واحد تقريبًا. هذا يمكن أن يعطي نمط تداخل ضعيف على مدى فترة مراقبة طويلة.

نتائج تجارب يانوشي لا جدال فيها ، ومع ذلك ، لا يمكن التوصل إلى مثل هذا الاستنتاج حول نظرية التجربة. من الناحية النظرية ، من المفترض في الواقع أن نمط التداخل ينشأ فقط نتيجة تفاعل الجسيمات مع بعضها البعض على سطح الشاشة. في حالة تدفقات الضوء القوية ووجود العديد من الجسيمات ، فإن هذا هو السبب الأكثر احتمالية للتداخل ، ولكن بالنسبة لتدفق الضوء الضعيف ، يمكن أن يصبح سببًا آخر لظهور الدورية في إضاءة الشاشة مهمًا أيضًا. يغير الضوء اتجاهه عندما يتفاعل مع جسم صلب. حواف الشق والسكتات الدماغية صريفوغيرها من العوائق التي تسبب الانعراج - هذا سطح بعيد عن المثالية ، ليس فقط من حيث تشطيب السطح. ذرات الطبقة السطحية عبارة عن بنية دورية لها فترة مماثلة لحجم الذرة ، أي أن الدورية هي من رتبة أنغستروم. المسافة بين أزواج الفوتون داخل الفوتون هي L0 10-12 cm ، أي أقل بأربع مرات. يجب أن يتسبب انعكاس أزواج الصور من الهيكل الدوري للسطح في تكرار الأماكن المضيئة وغير المضيئة على الشاشة.

يجب أن يكون عدم المساواة في اتجاهات انتشار الضوء المنعكس موجودًا دائمًا ، عندما ينعكس من أي سطح ، ولكن مع تدفقات الضوء القوية ، تكون الخصائص المتوسطة فقط مهمة ، ولا يظهر هذا التأثير. بالنسبة لتدفق الضوء الضعيف ، يمكن أن يؤدي ذلك إلى إضاءة الشاشة التي تشبه التداخل.

نظرًا لأن أبعاد الإلكترون أصغر أيضًا بكثير من أبعاد الهيكل الدوري لسطح الجسم ، فيجب أن يكون هناك أيضًا عدم مساواة في اتجاهات الجسيمات العائمة ، وبالنسبة لتدفقات الإلكترون الضعيفة ، فقد يكون هذا هو السبب الوحيد لإظهار خصائص الموجة.

وبالتالي ، يمكن تفسير وجود خصائص الموجة في الجسيمات ، سواء كانت فوتونات أو إلكترونات ، من خلال وجود خصائص الموجة للسطح العاكس أو الانكساري لأداة الانكسار.

للحصول على تأكيد تجريبي محتمل (أو تفنيد) لهذه الفرضية ، يمكن توقع بعض التأثيرات.

بالنسبة لتدفقات الضوء القوية ، فإن السبب الرئيسي لخصائص تداخل الضوء هو البنية الدورية للضوء نفسه ، وهو فوتون ممتد. إما أن تعزز أزواج الفوتونات من الفوتونات المختلفة بعضها البعض على الشاشة عندما تتزامن المرحلة (نواقل صبين مراكز فوتونات الأزواج المتفاعلة تتطابق في الاتجاه) ، أو تضعف في حالة عدم تطابق الطور (المتجهات صبين مراكز الصور لا تتطابق في الاتجاه). في الحالة الأخيرة ، لا تتسبب أزواج الصور المأخوذة من فوتونات مختلفة في حدوث حركة مشتركة متزامنة ، ولكنها تقع في تلك الأجزاء من الشاشة حيث لوحظ انخفاض في الإضاءة.

إذا كانت الشاشة عبارة عن لوحة شفافة ، فيمكن ملاحظة التأثير التالي: الحد الأدنى في الضوء المنعكس يتوافق مع الحد الأقصى للضوء المرسل. في الأماكن التي يُلاحظ فيها الحد الأدنى من الإضاءة في الضوء المنعكس ، يدخل الضوء أيضًا ، لكنه لا ينعكس في هذه الأماكن ، ولكنه يمر داخل اللوحة.

التكامل المتبادل للضوء المنعكس والمنقول عبر اللوحة في ظاهرة التداخل- حقيقة معروفة، والذي تم وصفه نظريًا بواسطة جهاز رياضي رسمي متطور جيدًا للنموذج الموجي للضوء. على وجه الخصوص ، تقدم النظرية خسارة نصف موجة أثناء الانعكاس ، وهذا "يفسر" اختلاف الطور بين المكونات المرسلة والمنعكسة.

الجديد في نموذجنا هو تفسير الطبيعة الفيزيائية لهذه الظاهرة. نجادل في أنه في حالة تدفقات الضوء الضعيفة ، عندما يتم استبعاد تفاعل الفوتونات داخل جهاز الانعراج ، فإن السبب الأساسي لتشكيل نمط التداخل لن يكون الهيكل الدوري للضوء نفسه ، ولكن الهيكل الدوري لسطح الضوء. الجهاز الذي يسبب الحيود. في هذه الحالة ، لن يكون هناك تفاعل بين أزواج الفوتونات من فوتونات مختلفة على سطح الشاشة ، ويجب أن يظهر التداخل في حقيقة أنه في تلك الأماكن التي يضرب فيها الضوء ، سيكون هناك حد أقصى من الإضاءة ، في أماكن أخرى لن يكون. في الأماكن ذات الحد الأدنى من الإضاءة ، لن يحصل الضوء على الإطلاق ، ويمكن التحقق من ذلك عدم وجود تكامل متبادل لنمط التداخل للضوء المنعكس والمرسل.

إمكانية أخرى لاختبار التنبؤ قيد النظر وفرضيتنا ككل هو ذلك بالنسبة لتدفق الضوء الضعيف ، جهاز حيود مصنوع من مادة أخرى، والتي تختلف باختلاف كثافة سطح الذرات ، يجب أن يعطي نمط تداخل مختلف لنفس خرج الضوء. يمكن التحقق من هذا التوقع أيضًا من حيث المبدأ.

تشارك ذرات سطح الجسم العاكس في الحركة الحرارية ، العقد شعرية الكريستالارتكب الاهتزازات التوافقية. يجب أن تؤدي الزيادة في درجة حرارة البلورة إلى ضبابية نمط التداخل في حالة تدفقات الضوء الضعيفة ، حيث يعتمد التداخل في هذه الحالة فقط على الهيكل الدوري للسطح العاكس. بالنسبة إلى تدفقات الضوء القوية ، يجب أن يكون تأثير درجة حرارة جهاز الانعراج على نمط التداخل أضعف ، على الرغم من عدم استبعاده ، نظرًا لأن الاهتزازات الحرارية لمواقع الشبكة البلورية يجب أن تنتهك حالة التماسك للأزواج المنعكسة من الفوتونات من الفوتونات المختلفة . يمكن التحقق من هذا التوقع أيضًا من حيث المبدأ.

الخصائص الجسيمية للضوء

في منشوراتنا ، اقترحنا مصطلح "النموذج الهيكلي للفوتون". عند تحليل مجموعة من الكلمات الموجودة بين علامات اقتباس اليوم ، من الضروري التعرف عليها على أنها غير ناجحة للغاية. النقطة المهمة هي أنه في نموذجنا ، لا يوجد الفوتون كجسيم موضعي. كمية الطاقة المشعة ، المحددة في النظرية الحديثة بالفوتون ، في نموذجنا عبارة عن مجموعة من إثارة الفراغ ، تسمى أزواج الفوتونات. يتم توزيع الإثارات في الفضاء على طول اتجاه الحركة. على الرغم من المدى الهائل لمقياس العالم المجهري ، نظرًا لصغر الفترة الزمنية التي تطير خلالها مثل هذه المجموعة من الأزواج عبر أي كائن دقيق أو تصطدم به ، وأيضًا بسبب الجمود النسبي لأشياء العالم المجهري ، الكميات. يمكن أن تمتصه هذه الكائنات الدقيقة تمامًا. يُنظر إلى الفوتون الكمومي على أنه جسيم منفصل فقط في عملية هذا التفاعل مع الأجسام الدقيقة ، عندما يمكن تجميع التأثير الناتج عن تفاعل الجسم الصغير مع كل زوج من الفوتونات ، على سبيل المثال ، في شكل إثارة قذيفة الإلكترونذرة أو جزيء. يُظهر الضوء خصائص الجسيم في سياق مثل هذا التفاعل ، عندما يكون العامل الأساسي ، الواعي بالنموذج ، والذي يؤخذ في الاعتبار من الناحية النظرية هو انبعاث أو امتصاص كمية معينة من الطاقة الضوئية.

حتى فكرة رسمية عن كوانتا الطاقة سمحت لبلانك بشرح ميزات إشعاع الجسم الأسود ، وأينشتاين لفهم جوهر التأثير الكهروضوئي. ساعد مفهوم الأجزاء المنفصلة من الطاقة في وصف ذلك الظواهر الفيزيائية، مثل الضغط الخفيف ، انعكاس الضوء ، التشتت - ما تم وصفه بالفعل بلغة النموذج الموجي. فكرة تمييز الطاقة ، وليس فكرة الجسيمات النقطية - الفوتونات - هذا هو ما هو ضروري حقًا في نموذج الجسيمات الحديث للضوء. يجعل التحفظ في كمية الطاقة من الممكن شرح أطياف الذرات والجزيئات ، لكن توطين طاقة الكم في جسيم واحد منعزل يتعارض مع الحقيقة التجريبية القائلة بأن وقت الانبعاث ووقت امتصاص كمية الطاقة ذرة طويلة جدًا على مقياس العالم المجهري - حوالي 10-8 ثوانٍ. إذا كان الكم عبارة عن جسيم نقطي موضعي ، فماذا يحدث لهذا الجسيم في وقت يتراوح بين 10 و 8 ثوانٍ؟ إن إدخال فوتون كمومي ممتد في النموذج الفيزيائي للضوء يجعل من الممكن فهم ليس فقط من الناحية النوعية عمليات الانبعاث والامتصاص ، ولكن أيضًا الخصائص الجسدية للإشعاع بشكل عام.

المعلمات الكمية للصور

في نموذجنا ، الهدف الرئيسي الذي يجب مراعاته هو صورتان. مقارنة بأبعاد الفوتون (الأبعاد الطولية للضوء المرئي هي أمتار) ، يمكن اعتبار الإثارة الفراغية على شكل زوج من الفوتونات كنقطة (البعد الطولي من 10 إلى 14 م). دعونا نحدد بعض معلمات الصورة. من المعروف أن γ-quanta يتم إنتاجها أثناء فناء الإلكترون والبوزيترون. دع اثنين γ-quanta يولد. دعونا نقدر الحد الأعلى لمعلماتها الكمية ، بافتراض أن طاقة الإلكترون والبوزيترون تساوي الطاقة المتبقية لهذه الجسيمات:

عدد أزواج الصور التي تظهر هو:

. (2)

الشحنة الإجمالية لجميع الفوتونات (-) هي –e ، حيث e هي شحنة الإلكترون. الشحنة الإجمالية لجميع الفوتونات (+) هي + e. دعونا نحسب معامل الشحنة التي تحملها صورة واحدة:

Cl. (3)

تقريبًا ، بغض النظر عن التفاعل الديناميكي للشحنات المتحركة ، يمكننا أن نفترض أن قوة الجاذبية المركزية لزوج دوار من الفوتونات هي قوة تفاعلهما الكهروستاتيكي. نظرًا لأن السرعة الخطية للرسوم الدوارة تساوي C ، نحصل على (في نظام SI):

حيث m0 / 2 = hЭ / C2 هي كتلة صورة واحدة. من (4) نحصل على تعبير عن نصف قطر دوران مراكز شحن الفوتون:

م (5)

بالنظر إلى المقطع العرضي "الكهربائي" للفوتون كمنطقة دائرة S نصف قطرها REl ، نحصل على:

تقدم الورقة معادلة لحساب المقطع العرضي للفوتون في إطار QED:

حيث σ تقاس بـ cm2. بافتراض ω = 2πν و ν = n (دون مراعاة البعد) ، نحصل على تقدير للمقطع العرضي باستخدام طريقة QED:

. (8)

الفرق مع تقديرنا للمقطع العرضي للفوتون هو 6 أوامر من حيث الحجم ، أو حوالي 9٪. في هذه الحالة ، تجدر الإشارة إلى أنه تم الحصول على نتيجة المقطع العرضي للفوتون الذي يبلغ ~ 10-65 سم 2 كتقدير أعلى لإبادة الجسيمات غير المتحركة ، بينما يمتلك الإلكترون والبوزيترون الحقيقيان طاقة الحركة. مع الأخذ في الاعتبار الطاقة الحركية ، يجب أن يكون المقطع العرضي أصغر ، لأنه في الصيغة (1) ستكون طاقة الجسيمات التي تمر في الإشعاع أكبر ، وبالتالي ، سيكون عدد أزواج الفوتونات أكبر. ستكون القيمة المحسوبة لشحنة صورة واحدة أقل (الصيغة 3) ، وبالتالي ، سيكون REl (الصيغة 5) والقسم العرضي S (الصيغة 6) أقل. مع وضع ذلك في الاعتبار ، يجب التعرف على تقديرنا للمقطع العرضي للفوتون على أنه يتزامن تقريبًا مع تقدير QED.

لاحظ أن الشحنة المحددة للصورة تتطابق مع الشحنة المحددة للإلكترون (البوزيترون):

. (9)

إذا كانت الصورة الضوئية (مثل الإلكترون) تحتوي على "لب" افتراضي تتركز فيه شحنتها ، و "معطف فرو" من فراغ مادي مضطرب ، فيجب ألا يتطابق المقطع العرضي "الكهربائي" لزوج من الفوتونات مع المقطع العرضي "الميكانيكي". دع مراكز كتلة الفوتونات تدور حول دائرة نصف قطرها RMex بسرعة C. منذ C = ωRMex ، نحصل على:

. (10)

وبالتالي ، فإن طول الدائرة التي تدور حولها مراكز الصورة للكتلة يساوي الطول الموجي ، وهو أمر طبيعي تمامًا عندما تتساوى السرعات الانتقالية والسرعات الدورانية في تفسيرنا لمفهوم "الطول الموجي". ولكن في هذه الحالة ، اتضح أنه بالنسبة للفوتونات التي تم الحصول عليها نتيجة الإبادة المذكورة أعلاه ، RMex ≈ 3.8 10-13 م ≈ 1022 REl. معطف الفرو الخاص بالفراغ المضطرب ، الذي يحيط بنواة الفوتونات ، له أبعاد هائلة مقارنة بالنواة نفسها.

بالطبع ، هذه كلها تقديرات تقريبية إلى حد ما. لا يمكن لأي نموذج جديد أن ينافس بدقة نموذج موجود بالفعل وصل فجره. على سبيل المثال ، عندما ظهر نموذج مركزية الشمس لكوبرنيكوس ، أجريت حسابات فلكية عملية لمدة 70 عامًا تقريبًا وفقًا لنموذج مركزية الأرض لبطليموس ، حيث أدى ذلك إلى نتيجة أكثر دقة.

إن إدخال النماذج على أساس جديد جوهريًا في العلم ليس فقط تصادمًا مع المعارضة الذاتية ، ولكنه أيضًا خسارة موضوعية لدقة الحسابات والتنبؤات. النتائج المتناقضة ممكنة أيضًا. النسبة الناتجة من أوامر ~ 1022 بين نصف القطر الكهربائي والميكانيكي لدوران الفوتونات ليست فقط غير متوقعة ، ولكنها لا تزال غير مفهومة جسديًا. الطريقة الوحيدة لفهم النسبة التي تم الحصول عليها بطريقة ما هي اعتبار أن دوران زوج من الفوتونات له طابع دوامة ، لأنه في هذه الحالة ، على قدم المساواة سرعات خطيةالمكونات على مسافات مختلفة من مركز الدوران ، يجب أن تكون سرعاتها الزاوية مختلفة.

حدسيًا ، الطبيعة الدوامة لدوران هيكل ثلاثي الأبعاد من وسط رقيق - فراغ فيزيائي ، هي أكثر قابلية للفهم من فكرة دوران زوج من الفوتونات ، تذكرنا بدوران الجسم الصلب. يجب أن يؤدي تحليل حركة الدوامة إلى فهم نوعي جديد للعملية قيد الدراسة.

النتائج والاستنتاجات

يستمر العمل في تطوير الأفكار حول الطبيعة الفيزيائية للضوء. يتم تحليل الطبيعة الفيزيائية لثنائية الموجة الجسدية. يتم التنبؤ بالتأثيرات التي يمكن التحقق منها بشكل أساسي في التجارب على تداخل وانعراج تدفقات الضوء الضعيفة. تم إجراء الحسابات الكمية للمعلمات الميكانيكية والكهربائية للفوتونات. يتم حساب المقطع العرضي لزوج من الفوتونات ويتم التوصل إلى استنتاج حول بنية دوامة الزوج.

المؤلفات

1. فوتون مويسيف. - قسم. في VINITI 12.02.98 ، رقم 000 - B98.

2. مويسيف والطاقة في النموذج الهيكلي للفوتون. - قسم. في VINITI 01.04.98 ، رقم 000 - B98.

3. على الطاقة الكلية وكتلة الجسم في الحركة. - قسم. في VINITI 12.05.98 ، رقم 000 - B98.

4. مويسيف في مجال الجاذبية. - قسم. في VINITI 10.27.99 ، رقم 000 - B99.

5. هياكل الفوتون مويسيف. - كوستروما: دار النشر بجامعة الملك سعود im. ، 2001.

5. Moiseev photon // وقائع المؤتمر - 2002 "المشاكل الأساسية للعلوم الطبيعية والتكنولوجيا" ، الجزء الثالث ، ص 229 - 251. - سانت بطرسبرغ ، دار النشر بجامعة ولاية سانت بطرسبرغ ، 2003.

7 فيز. القس. Lett.3). http: // prl. aps. غزاله

8. سيفوخين والفيزياء النووية. في ساعتين الجزء 1. الفيزياء الذرية. - م: نوكا ، 1986.

9. المادية قاموس موسوعي. في 5 مجلدات - م: الموسوعة السوفيتية, 1960–66.

10. الفيزياء. قاموس موسوعي كبير. - م: الموسوعة الروسية الكبرى ، 1999.

11. كودريافتسيف من تاريخ الفيزياء. - م: التربية ، 1974.

12. الديناميكا الكهربية Akhiezer /، - M.: Nauka، 1981.

الخصائص الموجية والجسيمية للجسيمات الأولية

خصائص موجة الضوء

حقيقة أن الضوء له خصائص موجية معروفة منذ زمن طويل. يقارن روبرت هوك في كتابه Micrographia (1665) الضوء بانتشار الأمواج. نشر كريستيان هويجنز في عام 1690 "رسالة على الضوء" ، حيث طور نظرية موجات الضوء. ومن المثير للاهتمام أن نيوتن ، الذي كان على دراية بهذه الأعمال ، في أطروحته عن البصريات ، يقنع نفسه والآخرين بأن الضوء يتكون من جسيمات - جسيمات. حالت سلطة نيوتن لبعض الوقت دون التعرف على نظرية الموجة للضوء. هذا أكثر إثارة للدهشة لأن نيوتن لم يسمع فقط عن عمل هوك وهيغنز ، ولكن أيضًا صمم وصنع جهازًا لاحظ فيه ظاهرة التداخل ، المعروفة اليوم لكل تلميذ تحت اسم "حلقات نيوتن". تم شرح ظاهرة الانعراج والتداخل ببساطة وبشكل طبيعي في نظرية الموجة. هو ، نيوتن ، كان عليه أن يغير نفسه ويلجأ إلى "اختراع فرضيات" ذات محتوى غامض للغاية من أجل جعل الجسيمات تتحرك بشكل صحيح.

حقق نيوتن ، كعالم ، أكبر نجاح في شرح حركة الكواكب باستخدام قوانين الميكانيكا التي اكتشفها. بطبيعة الحال ، حاول استخدام نفس القوانين لشرح حركة الضوء ، ولكن لكي يصبح هذا ممكنًا ، يجب أن يتكون الضوء بالضرورة من الكريات. إذا كان الضوء يتكون من جسيمات ، فإن قوانين الميكانيكا تنطبق عليها ، ومن أجل إيجاد قوانين حركتها ، يبقى فقط معرفة القوى التي تعمل بينها والمادة. إن تفسير مثل هذه الظواهر المتنوعة مثل حركة الكواكب وانتشار الضوء على نفس المبادئ مهمة شاقة ، ولم يستطع نيوتن أن ينكر على نفسه متعة البحث عن حل لها. العلم الحديثلا يتعرف على نظرية الجسيمات لنيوتن ، ومع ذلك ، منذ نشر عمل أينشتاين عن التأثير الكهروضوئي ، تم اعتبار الضوء مكونًا من جسيمات الفوتون. لم يكن نيوتن مخطئًا في حقيقة أن حركة الكواكب وانتشار الضوء تحكمهما بعض المبادئ العامة التي لم تكن معروفة له.

دعونا نتذكر أشهر التجارب والأجهزة والأجهزة التي تتجلى فيها الطبيعة الموجية للضوء بشكل واضح.

1. "حلقات نيوتن".

2. تداخل الضوء أثناء مروره من خلال فتحتين.

3. تدخل الضوء عند الانعكاس من الأغشية الرقيقة.

4. أدوات وأجهزة مختلفة: مرايا فرينل ، مرآة لويدز ؛ مقاييس التداخل: Michelson ، Mach-Zander ، Fabry-Perot.

5. انحراف الضوء عن طريق شق ضيق.

6. محزوز الحيود.

7. بقعة بواسون.

كل هذه التجارب أو الأجهزة أو الأجهزة أو الظواهر معروفة جيدًا ، لذلك لن نتعمق فيها. أود أن أذكر تفصيلاً فضولاً واحداً فقط يتعلق باسم "مواقع بواسون". كان بواسون معارضا لنظرية الموجة. بالنظر إلى طريقة فرينل ، توصل إلى استنتاج مفاده أنه إذا كان الضوء عبارة عن موجة ، فيجب أن يكون هناك نقطة مضيئة في مركز الظل الهندسي من قرص معتم. بالنظر إلى أن هذا الاستنتاج سخيف ، فقد قدمه كاعتراض مقنع على نظرية الموجة. ومع ذلك ، فإن هذا التنبؤ السخيف أكده تجريبياً من قبل أراجون.

الخصائص الجسيمية للضوء

منذ عام 1905 ، عرف العلم أن الضوء ليس موجة فحسب ، بل هو أيضًا تيار من الجسيمات - الفوتونات. بدأ كل شيء باكتشاف التأثير الكهروضوئي.

تم اكتشاف التأثير الكهروضوئي بواسطة Hertz في عام 1887.

1888 - 1889 تمت دراسة هذه الظاهرة تجريبياً بواسطة Stoletov.

1898 أثبت لينارد وتومسون أن الجسيمات المنبعثة من الضوء هي إلكترونات.

كانت المشكلة الرئيسية التي طرحها التأثير الكهروضوئي للعلماء هي أن طاقة الإلكترونات التي تمزقها الضوء من المادة لا تعتمد على شدة الضوء الساقط على المادة. انها تعتمد فقط على ترددها. لم تستطع نظرية الموجة الكلاسيكية تفسير هذا التأثير.

1905 قدم أينشتاين شرحًا نظريًا للتأثير الكهروضوئي ، وحصل على جائزة نوبل في عام 1921.

وفقًا لافتراض أينشتاين ، يتكون الضوء من فوتونات تعتمد طاقتها فقط على التردد ويتم حسابها باستخدام صيغة بلانك:. يمكن للضوء أن يسحب إلكترونًا من المادة إذا كان للفوتون طاقة كافية للقيام بذلك. لا يهم عدد الفوتونات التي تسقط على السطح المضيء. لذلك ، فإن شدة الضوء لا علاقة لها ببداية التأثير الكهروضوئي.

عند شرح التأثير الكهروضوئي ، استخدم أينشتاين فرضية بلانك المعروفة. اقترح بلانك في وقت ما أن الضوء ينبعث في أجزاء - كوانتا. اقترح أينشتاين الآن أن الضوء ، علاوة على ذلك ، يُمتص في أجزاء. كان هذا الافتراض كافياً لتفسير التأثير الكهروضوئي. آينشتاين ، مع ذلك ، يذهب إلى أبعد من ذلك. يفترض أن الضوء موزع في أجزاء أو فوتونات. لم تكن هناك أسباب تجريبية لمثل هذا البيان في تلك اللحظة.

جاء التأكيد الأكثر مباشرة لفرضية أينشتاين من تجربة بوث.

في تجربة بوث ، تم وضع رقاقة معدنية رفيعة F بين عدادات تفريغ الغاز Cch. تمت إضاءة الرقاقة بشعاع ضعيف من الأشعة السينية ، والتي تحت تأثيرها أصبحت مصدرًا للأشعة السينية. تم التقاط الفوتونات الثانوية بواسطة عدادات جيجر. عندما تم تشغيل العداد ، تم إرسال الإشارة إلى الآليات M ، والتي وضعت علامة على الشريط المتحرك L. إذا انبعث الإشعاع الثانوي في النموذج موجات كروية، ثم يجب أن يعمل كلا العدادات في وقت واحد. ومع ذلك ، فقد أظهرت التجربة أن العلامات الموجودة على الشريط المتحرك تقع بشكل مستقل تمامًا عن بعضها البعض. يمكن تفسير ذلك بطريقة واحدة فقط: يحدث الإشعاع الثانوي في شكل جسيمات فردية يمكنها الطيران إما في اتجاه واحد أو في الاتجاه المعاكس. لذلك ، لا يمكن أن يعمل كلا العدادات في نفس الوقت.

تجربة كومبتون

في عام 1923 ، اكتشف عالم الفيزياء الأمريكي آرثر هولي كومبتون ، الذي حقق في تشتت الأشعة السينية بمواد مختلفة ، أنه في الأشعة المنتشرة بفعل المادة ، جنبًا إلى جنب مع الإشعاع الأولي ، توجد أشعة ذات طول موجي أطول. هذا السلوك للأشعة السينية ممكن فقط من وجهة نظر ميكانيكا الكم. إذا كانت الأشعة السينية تتكون من جسيمات كوانتية ، فيجب أن تفقد هذه الجسيمات طاقتها في حالة اصطدامها بالإلكترونات في حالة السكون ، تمامًا مثل الكرة سريعة الطيران التي تفقد طاقتها عندما تصطدم بأخرى في حالة الراحة. تتباطأ الكرة الطائرة ، بعد أن فقدت طاقتها. لا يمكن للفوتون أن يتباطأ ، وسرعته دائمًا تساوي سرعة الضوء ، في الواقع ، هو نفسه ضوء. ولكن نظرًا لأن طاقة الفوتون هي ، يتفاعل الفوتون مع الاصطدام عن طريق تقليل التردد.

دع طاقة وزخم الفوتون قبل الاصطدام يكونان:

;

طاقة وزخم الفوتون بعد تشتت الإلكترون:

;

طاقة الإلكترون قبل الاصطدام بالفوتون:

زخمها قبل الاصطدام هو صفر - الإلكترون في حالة سكون قبل الاصطدام.

بعد الاصطدام ، يكتسب الإلكترون زخمًا ، وتزداد طاقته وفقًا لذلك: . يتم الحصول على العلاقة الأخيرة من المساواة: .

دعونا نساوي طاقة النظام قبل اصطدام الفوتون بالإلكترون بالطاقة بعد الاصطدام.

يتم الحصول على المعادلة الثانية من قانون حفظ الزخم. في هذه الحالة ، بالطبع ، يجب ألا ننسى أن الزخم هو كمية متجهة.

;

دعونا نحول معادلة الحفاظ على الطاقة

وربّع الجانبين الأيمن والأيسر

نحن نساوي التعبيرات التي تم الحصول عليها لمربع زخم الإلكترون

من حيث نحصل: . عادة،

نقدم التدوين .

الكمية تسمى الطول الموجي كومبتون للإلكترون ويتم الإشارة إليها بواسطة. باستخدام هذا الترميز ، يمكننا كتابة تعبير يمثل الاشتقاق النظري لنتيجة كومبتون التجريبية: .

فرضية De Broglie والخصائص الموجية للجسيمات الأخرى

في عام 1924 ، افترض دي برولي أن الفوتونات ليست استثناء. الجسيمات الأخرى أيضًا ، وفقًا لـ De Broglie ، يجب أن يكون لها خصائص موجية. علاوة على ذلك ، يجب أن تكون العلاقة بين الطاقة والزخم ، من ناحية ، وطول الموجة والتردد ، من ناحية أخرى ، هي نفسها تمامًا مثل الفوتونات الكهرومغناطيسية.

بالنسبة للفوتونات. وفقًا لافتراض دي برولي ، يجب أن يرتبط الجسيم بموجة من المادة بتردد وطول موجي .

ما هي هذه الموجة وما هي المعنى المادي، دي برولي لا يستطيع أن يقول. اليوم ، من المقبول عمومًا أن موجة دي برولي لها معنى احتمالي وتميز احتمال العثور على جسيم في نقاط مختلفة في الفضاء.

الشيء الأكثر إثارة للاهتمام في هذا هو أن الخصائص الموجية للجسيمات تم اكتشافها تجريبياً.

في عام 1927 ، اكتشف دافيسون وجامر حيود حزم الإلكترون عند الانعكاس من بلور النيكل.

في عام 1927 ، ولد ابن ج. حصل طومسون ، وتارتاكوفسكي ، بصرف النظر عنه ، على نمط حيود عندما تمر حزمة إلكترونية عبر رقاقة معدنية.

في وقت لاحق ، تلقوا أنماط الحيودوللحزم الجزيئية.

الخصائص الموجية والجسيمية للضوء - الصفحة 1/1

الخصائص الموجية والجماعية للضوء

جامعة ولاية كوستروما
1 شارع مايا ، 14 ، كوستروما ، 156001 ، روسيا
بريد الالكتروني: [بريد إلكتروني محمي] ; [بريد إلكتروني محمي]ر

يتم استنتاج إمكانية اعتبار الضوء على أنه تسلسل دوري لإثارة الفراغ المادي منطقياً. نتيجة لهذا النهج ، يتم شرح الطبيعة الفيزيائية للموجة والخصائص الجسدية للضوء.

مقدمة

هذا العمل مكرس لتشكيل أفكار نظرية جديدة حول الطبيعة الفيزيائية للضوء ، والتي ينبغي أن تشرح نوعيًا الخصائص الموجية والجسيمية للضوء. في وقت سابق ، تم نشر الأحكام الرئيسية للنموذج المطور والنتائج التي تم الحصول عليها في إطار هذا النموذج:

1. الفوتون عبارة عن مجموعة من الإثارات الأولية للفراغ المنتشر في الفضاء على شكل سلسلة من الإثارات ذات ثابت بالنسبة لسرعة الفراغ ، بغض النظر عن سرعة مصدر الضوء. بالنسبة للمراقب ، تعتمد سرعة الفوتون على سرعة الراصد بالنسبة إلى الفراغ ، والتي تم تشكيلها منطقيًا على أنها مساحة مطلقة.

4. يتم تحديد طاقة الفوتون من خلال عدد أزواج الفوتونات n في فوتون واحد: ε = nh E ، حيث h E قيمة مساوية لثابت بلانك بوحدات الطاقة.

6. تم حساب كتلة زوج من الفوتونات م 0 = 1.474 10 -53 جم ، والتي تتطابق بترتيب الحجم مع التقدير الأعلى لكتلة الفوتون م 

7. تم التوصل إلى استنتاج حول التغيير في الثوابت C و h عندما يتحرك الفوتون في مجال الجاذبية.

من التركيب الدوري للفوتون ، يكون سبب الخصائص الموجية للضوء واضحًا بشكل بديهي: تتطابق رياضيات الموجة ، كعملية تذبذب ميكانيكي لوسط مادي ، ورياضيات عملية دورية من أي طبيعة نوعية. . تقدم الأوراق شرحًا نوعيًا للخصائص الموجية والجسيمية للضوء. تواصل هذه المقالة تطوير الأفكار حول الطبيعة الفيزيائية للضوء.

خصائص موجة الضوء

كما ذكرنا سابقًا ، فإن عناصر الدورية المرتبطة بالطبيعة الفيزيائية للضوء تتسبب في ظهور خصائص الموجة. تم إنشاء مظهر من مظاهر الخصائص الموجية للضوء من خلال العديد من الملاحظات والتجارب ، وبالتالي لا يمكن أن يكون موضع شك. تم تطوير نظرية الموجات الرياضية لتأثير دوبلر والتداخل والحيود والاستقطاب والتشتت وامتصاص وتشتت الضوء. ترتبط نظرية الموجة للضوء عضوياً بالبصريات الهندسية: في حدود  → 0 ، يمكن صياغة قوانين البصريات بلغة الهندسة.

إن الجمع بين نماذج الجسم والموجة وفقًا لمبدأ "الموجة هي اضطراب في مجموعة من الجسيمات" يثير اعتراضًا ، لأن يعتبر وجود خصائص الموجة في جسيم واحد من الضوء راسخًا. تم اكتشاف تداخل الفوتونات التي نادراً ما تطير بواسطة Janoshi ، لكن لا توجد نتائج كمية وتفاصيل وتحليل مفصل للتجربة في الدورة التدريبية. لا تتوفر معلومات حول مثل هذه النتائج الأساسية المهمة سواء في الكتب المرجعية أو في الدورة التدريبية حول تاريخ الفيزياء. على ما يبدو ، فإن مسألة الطبيعة الفيزيائية للضوء هي بالفعل خلفية عميقة للعلم.

دعونا نحاول إعادة بناء المعلمات الكمية لتجربة يانوشي ، والتي تعتبر ضرورية منطقيًا لتفسير النتائج ، وذلك باستخدام وصف بخيل لتجارب مماثلة بواسطة بيبرمان وسوشكين وفابريكانت مع الإلكترونات. من الواضح ، في تجربة يانوشي ، أن نمط التداخل الذي تم الحصول عليه من نبضة ضوئية قصيرة عالية الكثافة JB تمت مقارنتها بالنمط الذي تم الحصول عليه على مدى فترة طويلة من تدفق الفوتون الضعيف J M. والفرق الأساسي بين الحالتين قيد الدراسة هو أنه في في حالة التدفق JM ، يجب استبعاد تفاعل الفوتونات داخل أداة الانعراج.

نظرًا لأن Janoshi لم يجد أي اختلاف في أنماط التداخل ، فلنرى الشروط اللازمة لذلك في إطار نموذجنا.

الفوتون من طول L و = 4.5 متر يمر نقطة معينة في الفضاء في الوقت τ = L و / C = 4.5 / 3 ּ 10 8 ≈ 1.5 ּ 10 -8 الصورة. إذا كان حجم نظام (الجهاز) الانعراج حوالي 1 متر ، فإن الوقت الذي يستغرقه الفوتون في المرور عبر الجهاز بطول L f سيكون أطول: τ '= (L f + 1) / C 1.8 10 - 8 ق.

لا يستطيع مراقب خارجي رؤية فوتونات مفردة. إن محاولة إصلاح الفوتون تدمره - لا يوجد خيار آخر "لرؤية" جسيم ضوئي متعادل كهربائيًا. تستخدم التجربة خصائص متوسط الوقت للضوء ، ولا سيما الكثافة (الطاقة لكل وحدة زمنية). حتى لا تتقاطع الفوتونات داخل جهاز الانعراج ، من الضروري فصلها في الفضاء على طول مسار الحركة بحيث يكون وقت مرور الجهاز τ 'أقل من الوقت الذي يقسم فيه وصول الفوتونات المتتالية إلى التركيب ، أي τ "1.8 ּ 10 -8 الصورة.

في التجارب التي أجريت على الإلكترونات ، كان متوسط الفترة الزمنية بين جسيمين يمران على التوالي عبر نظام الحيود حوالي 3-10 4 مرات أطول من الوقت الذي يقضيه إلكترون واحد في المرور عبر الجهاز بأكمله. بالنسبة للجسيمات النقطية ، هذه العلاقة مقنعة.

نتائج تجارب يانوشي لا جدال فيها ، ومع ذلك ، لا يمكن التوصل إلى مثل هذا الاستنتاج حول نظرية التجربة. من الناحية النظرية ، من المفترض في الواقع أن نمط التداخل ينشأ فقط نتيجة تفاعل الجسيمات مع بعضها البعض على سطح الشاشة. في حالة تدفقات الضوء القوية ووجود العديد من الجسيمات ، فإن هذا هو السبب الأكثر احتمالية للتداخل ، ولكن بالنسبة لتدفق الضوء الضعيف ، يمكن أن يصبح سببًا آخر لظهور الدورية في إضاءة الشاشة مهمًا أيضًا. يغير الضوء اتجاهه عندما يتفاعل مع جسم صلب. حواف الشقوق وضربات محزوز الحيود وغيرها من العوائق التي تسبب الانعراج - هذا سطح بعيد عن المثالية ، ليس فقط من حيث تشطيب السطح. ذرات الطبقة السطحية عبارة عن بنية دورية لها فترة مماثلة لحجم الذرة ، أي أن الدورية هي من رتبة أنغستروم. المسافة بين أزواج الفوتون داخل الفوتون هي L 0 10 –12 cm ، وهي أصغر بأربع مرات. يجب أن يتسبب انعكاس أزواج الصور من الهيكل الدوري للسطح في تكرار الأماكن المضيئة وغير المضيئة على الشاشة.

للحصول على تأكيد تجريبي محتمل (أو تفنيد) لهذه الفرضية ، يمكن توقع بعض التأثيرات.

التأثير 1

إن التكامل المتبادل للضوء المنعكس والمنقول عبر اللوحة في ظاهرة التداخل هو حقيقة معروفة ، موصوفة نظريًا بواسطة جهاز رياضي رسمي متطور جيدًا للنموذج الموجي للضوء. على وجه الخصوص ، تقدم النظرية خسارة نصف موجة أثناء الانعكاس ، وهذا "يفسر" اختلاف الطور بين المكونات المرسلة والمنعكسة.

التأثير 2

التأثير 3

تشارك ذرات سطح الجسم العاكس في الحركة الحرارية ، وتؤدي عُقد الشبكة البلورية اهتزازات متناسقة. يجب أن تؤدي الزيادة في درجة حرارة البلورة إلى ضبابية نمط التداخل في حالة تدفقات الضوء الضعيفة ، حيث يعتمد التداخل في هذه الحالة فقط على الهيكل الدوري للسطح العاكس. بالنسبة إلى تدفقات الضوء القوية ، يجب أن يكون تأثير درجة حرارة جهاز الانعراج على نمط التداخل أضعف ، على الرغم من عدم استبعاده ، نظرًا لأن الاهتزازات الحرارية لمواقع الشبكة البلورية يجب أن تنتهك حالة التماسك للأزواج المنعكسة من الفوتونات من الفوتونات المختلفة . يمكن التحقق من هذا التوقع أيضًا من حيث المبدأ.

الخصائص الجسيمية للضوء

في منشوراتنا ، اقترحنا مصطلح "النموذج الهيكلي للفوتون". عند تحليل مجموعة من الكلمات الموجودة بين علامات اقتباس اليوم ، من الضروري التعرف عليها على أنها غير ناجحة للغاية. النقطة المهمة هي أنه في نموذجنا ، لا يوجد الفوتون كجسيم موضعي. كمية الطاقة المشعة ، المحددة في النظرية الحديثة بالفوتون ، في نموذجنا عبارة عن مجموعة من إثارة الفراغ ، تسمى أزواج الفوتونات. يتم توزيع الإثارات في الفضاء على طول اتجاه الحركة. على الرغم من المدى الهائل لمقياس العالم المجهري ، نظرًا لصغر الفترة الزمنية التي تطير خلالها مثل هذه المجموعة من الأزواج عبر أي كائن دقيق أو تصطدم به ، وأيضًا بسبب الجمود النسبي لأشياء العالم المجهري ، الكميات. يمكن أن تمتصه هذه الكائنات الدقيقة تمامًا. يُنظر إلى الفوتون الكمي على أنه جسيم منفصل فقط في عملية هذا التفاعل مع الكائنات الدقيقة ، عندما يمكن تجميع التأثير الناتج عن تفاعل كائن دقيق مع كل زوج من الفوتونات ، على سبيل المثال ، في شكل إثارة الغلاف الإلكتروني للذرة أو الجزيء. يُظهر الضوء خصائص الجسيم في سياق مثل هذا التفاعل ، عندما يكون العامل الأساسي ، الواعي بالنموذج ، والذي يؤخذ في الاعتبار من الناحية النظرية هو انبعاث أو امتصاص كمية معينة من الطاقة الضوئية.

حتى فكرة رسمية عن كوانتا الطاقة سمحت لبلانك بشرح ميزات إشعاع الجسم الأسود ، وأينشتاين لفهم جوهر التأثير الكهروضوئي. ساعد مفهوم الأجزاء المنفصلة من الطاقة في وصف الظواهر الفيزيائية بطريقة جديدة مثل ضغط الضوء وانعكاس الضوء والتشتت - ما تم وصفه بالفعل بلغة نموذج الموجة. فكرة تمييز الطاقة ، وليس فكرة الجسيمات النقطية - الفوتونات - هذا هو ما هو ضروري حقًا في نموذج الجسيمات الحديث للضوء. يجعل التحفظ في كمية الطاقة من الممكن شرح أطياف الذرات والجزيئات ، لكن توطين طاقة الكم في جسيم واحد منعزل يتعارض مع الحقيقة التجريبية القائلة بأن وقت الانبعاث ووقت امتصاص كمية الطاقة بواسطة ذرة كبيرة جدًا على مقياس العالم الصغير - حوالي 10-8 ثوانٍ. إذا كان الكم عبارة عن جسيم نقطي موضعي ، فماذا يحدث لهذا الجسيم في وقت يتراوح بين 10 و 8 ثوانٍ؟ إن إدخال فوتون كمومي ممتد في النموذج الفيزيائي للضوء يجعل من الممكن فهم ليس فقط من الناحية النوعية عمليات الانبعاث والامتصاص ، ولكن أيضًا الخصائص الجسدية للإشعاع بشكل عام.

المعلمات الكمية للصور

في نموذجنا ، الهدف الرئيسي الذي يجب مراعاته هو صورتان. مقارنة بأبعاد الفوتون (الأبعاد الطولية للضوء المرئي هي أمتار) ، يمكن اعتبار إثارة الفراغ على شكل زوج من الفوتونات شبيهة بالنقطة (البعد الطولي حوالي 10-14 م). دعونا نحدد بعض معلمات الصورة. من المعروف أن γ-quanta يتم إنتاجها أثناء فناء الإلكترون والبوزيترون. دع اثنين γ-quanta يولد. دعونا نقدر الحد الأعلى لمعلماتها الكمية ، بافتراض أن طاقة الإلكترون والبوزيترون تساوي الطاقة المتبقية لهذه الجسيمات:

. (1)

عدد أزواج الصور التي تظهر هو:

. (2)

Cl. (3)

, (4)

حيث m 0/2 \ u003d h E / C 2 - كتلة صورة واحدة. من (4) نحصل على تعبير عن نصف قطر دوران مراكز شحن الفوتون:

م (5)

بالنظر إلى المقطع العرضي "الكهربائي" للفوتون كمنطقة دائرة S نصف قطرها R El ، نحصل على:

تقدم الورقة معادلة لحساب المقطع العرضي للفوتون في إطار QED:

, (7)

حيث σ تقاس بالسنتيمتر 2. بافتراض ω = 2πν و ν = n (دون مراعاة البعد) ، نحصل على تقدير للمقطع العرضي باستخدام طريقة QED:

. (8)

الفرق مع تقديرنا للمقطع العرضي للفوتون هو 6 أوامر من حيث الحجم ، أو حوالي 9٪. في الوقت نفسه ، تجدر الإشارة إلى أنه تم الحصول على نتيجة المقطع العرضي للفوتون الذي يتراوح من 10 إلى 65 سم 2 كتقدير أعلى لإبادة الجسيمات غير المتحركة ، بينما يمتلك الإلكترون والبوزيترون الحقيقيان طاقة الحركة. مع الأخذ في الاعتبار الطاقة الحركية ، يجب أن يكون المقطع العرضي أصغر ، لأنه في الصيغة (1) ستكون طاقة الجسيمات التي تمر في الإشعاع أكبر ، وبالتالي ، سيكون عدد أزواج الفوتونات أكبر. ستكون القيمة المحسوبة لشحنة صورة واحدة أقل (الصيغة 3) ، وبالتالي ، سيكون R El (الصيغة 5) والقسم العرضي S (الصيغة 6) أقل. مع وضع ذلك في الاعتبار ، يجب التعرف على تقديرنا للمقطع العرضي للفوتون على أنه يتزامن تقريبًا مع تقدير QED.

لاحظ أن الشحنة المحددة للصورة تتطابق مع الشحنة المحددة للإلكترون (البوزيترون):

. (9)

إذا كانت الصورة الضوئية (مثل الإلكترون) تحتوي على "لب" افتراضي تتركز فيه شحنتها ، و "معطف فرو" من فراغ مادي مضطرب ، فيجب ألا يتطابق المقطع العرضي "الكهربائي" لزوج من الفوتونات مع المقطع العرضي "الميكانيكي". دع مراكز كتلة الفوتونات تدور حول دائرة نصف قطرها R Mex بسرعة C. بما أن C = ωR Mex ، نحصل على:

. (10)

وبالتالي ، فإن طول الدائرة التي تدور حولها مراكز الصورة للكتلة يساوي الطول الموجي ، وهو أمر طبيعي تمامًا عندما تتساوى السرعات الانتقالية والسرعات الدورانية في تفسيرنا لمفهوم "الطول الموجي". ولكن في هذه الحالة ، اتضح أنه بالنسبة للفوتونات التي تم الحصول عليها نتيجة الإبادة المذكورة أعلاه ، R Mex ≈ 3.8 10 –13 m ≈ 10 22 R El. معطف الفرو الخاص بالفراغ المضطرب ، الذي يحيط بنواة الفوتونات ، له أبعاد هائلة مقارنة بالنواة نفسها.

إن إدخال النماذج على أساس جديد جوهريًا في العلم ليس فقط تصادمًا مع المعارضة الذاتية ، ولكنه أيضًا خسارة موضوعية لدقة الحسابات والتنبؤات. النتائج المتناقضة ممكنة أيضًا. النسبة الناتجة من أوامر ~ 10 22 بين نصف القطر الكهربائي والميكانيكي لدوران الفوتونات ليست فقط غير متوقعة ، ولكنها أيضًا غير مفهومة جسديًا. الطريقة الوحيدة لفهم النسبة التي تم الحصول عليها بطريقة ما هي افتراض أن دوران زوج من الفوتونات له طابع دوامة ، لأنه في هذه الحالة ، إذا كانت السرعات الخطية للمكونات على مسافات مختلفة من مركز الدوران متساوية ، فإن سرعاتها الزاوية يجب أن تكون مختلفة.

النتائج والاستنتاجات

المؤلفات

1. مويسيف ب. هيكل الفوتون. - قسم. في VINITI 12.02.98 ، رقم 445 - B98.

2. مويسيف ب. الكتلة والطاقة في النموذج الهيكلي للفوتون. - قسم. في VINITI 01.04.98 ، رقم 964 - B98.

3. مويسيف ب. على مجموع الطاقة والكتلة للجسم في حالة الحركة. - قسم. في VINITI 12.05.98، No. 1436 - B98.

4. مويسيف ب. الفوتون في مجال الجاذبية. - قسم. في VINITI 27.10.99 ، رقم 3171 - B99.

5. مويسيف ب. نمذجة بنية الفوتون. - كوستروما: دار النشر بجامعة الملك سعود im. على ال. نيكراسوفا ، 2001.

5. مويسيف ب. البنية المجهرية للفوتون // وقائع المؤتمر عام 2002 "المشكلات الأساسية للعلوم الطبيعية والتكنولوجيا" ، الجزء الثالث ، ص 229 - 251. - سانت بطرسبرغ ، دار النشر بجامعة ولاية سانت بطرسبرغ ، 2003.

7 فيز. القس. بادئة رسالة. 90 081801 (2003). http://prl.aps.org

8. Sivukhin D.V. الفيزياء الذرية والنووية. في ساعتين الجزء 1. الفيزياء الذرية. - م: نوكا ، 1986.

9. القاموس الموسوعي المادي. في 5 مجلدات - م: الموسوعة السوفيتية ، 1960-66.

10. الفيزياء. قاموس موسوعي كبير. - م: الموسوعة الروسية الكبرى ، 1999.

11. كودريافتسيف ب. دورة في تاريخ الفيزياء. - م: التربية ، 1974.

12- أخيزر أ. الديناميكا الكهربائية الكمية / A.I. Akhiezer ، V.V. بيريستيتسكي - م: نوكا ، 1981.