A klasszikus fizika felfogása szerint a fény elektromágneses hullámok egy bizonyos frekvenciatartományban. A fény és az anyag kölcsönhatása azonban úgy történik, mintha a fény részecskék áramlása lenne.

Newton idejében két hipotézis volt a fény természetéről: korpuszkuláris, amit Newton betartott, és hullám. További fejlődés kísérleti technika és elmélet mellett döntött hullámelmélet .

De a 20. század elején. új problémák merültek fel: a fénynek az anyaggal való kölcsönhatását nem tudták a keretek között megmagyarázni hullámelmélet.

Ha egy fémdarabot fénnyel megvilágítanak, elektronok repülnek ki belőle ( fotóeffektus). Azt várnánk, hogy a kibocsátott elektronok sebessége (kinetikai energiájuk) minél nagyobb lesz, minél nagyobb a beeső hullám energiája (fényintenzitás), de kiderült, hogy az elektronok sebessége nem függ a fény intenzitásától minden, de a gyakorisága (színe) határozza meg.

A fotózás azon alapul, hogy egyes anyagok fénnyel történő megvilágítás és kémiai kezelés után elsötétülnek, és elfeketedésük mértéke arányos a megvilágítással és a megvilágítás idejével. Ha egy ilyen anyagréteget (egy fotólemezt) bizonyos frekvencián fénnyel világítunk meg, akkor a kifejlesztés után a homogén felület feketévé válik. A fényintenzitás csökkenésével homogén felületeket kapunk, egyre kisebb mértékű elfeketedéssel (a szürke különböző árnyalatai). És minden azzal zárul, hogy nagyon gyenge megvilágításnál nem nagyon kis mértékű elfeketedést kapunk a felületen, hanem véletlenszerűen szétszórva a felületen fekete pontokat! Mintha csak ezeket a helyeket érte volna a fény.

A fény és az anyag kölcsönhatásának sajátosságai visszatérésre kényszerítették a fizikusokat korpuszkuláris elmélet.

A fény és az anyag kölcsönhatása úgy történik, mintha a fény részecskék áramlata lenne, energiaÉs impulzus amelyek a fény frekvenciájához kapcsolódnak az összefüggések által

E=hv;p =E/c =hv/c,

Ahol h Planck-állandó. Ezeket a részecskéket ún fotonok.

Fotó hatás meg lehetne érteni, ha valaki a nézőpontot venné korpuszkuláris elméletés tekintsd a fényt részecskék folyamának. De akkor felmerül a probléma, hogy mit kezdjünk a fény más tulajdonságaival, amelyeket a fizika hatalmas ága vizsgált - optika, azon a tényen alapul, hogy a fény elektromágneses hullámok.

Elfogadhatatlannak tartják azt a helyzetet, amelyben az egyes jelenségeket speciális, egymással össze nem egyeztethető vagy akár egymásnak ellentmondó feltevések segítségével magyarázzák, mivel a fizika azt állítja, hogy egységes képet alkot a világról. Ennek az állításnak az érvényességét pedig éppen az a tény erősítette meg, hogy röviddel a fotoeffektussal kapcsolatban felmerülő nehézségek előtt az optikát elektrodinamikává redukálták. Jelenségek interferenciaÉs diffrakció természetesen nem értett egyet a részecskékre vonatkozó elképzelésekkel, de a fény egyes tulajdonságai mindkét szempontból egyaránt jól magyarázhatók. Elektromágneses hullám energiája és lendülete van, a lendület pedig arányos az energiával. Amikor a fény elnyelődik, átadja impulzusát, azaz a fény intenzitásával arányos nyomóerő hat az akadályra. A részecskék áramlása is nyomást gyakorol az akadályra, és a részecske energiája és lendülete közötti megfelelő kapcsolat esetén a nyomás arányos lesz az áramlás intenzitásával. Az elmélet fontos vívmánya volt a fény szóródásának magyarázata a levegőben, aminek eredményeként különösen világossá vált, hogy miért kék az ég. Az elméletből az következett, hogy a fény frekvenciája nem változik a szórás során.

Ha azonban azt a nézőpontot vesszük korpuszkuláris elméletés vegyük figyelembe, hogy a fény karakterisztikája, amely a hullámelméletben a frekvenciával (színnel) van összefüggésben, a korpuszkuláris elméletben a részecske energiájával, akkor kiderül, hogy a szórás során (foton ütközése szóródó részecskével) ), a szórt foton energiájának csökkennie kell. A röntgensugárzás szóródásával kapcsolatos speciális kísérletek, amelyek olyan részecskéknek felelnek meg, amelyek energiája három nagyságrenddel nagyobb, mint a látható fényé, azt mutatták, hogy korpuszkuláris elmélet igaz. A fényt részecskék áramának kell tekinteni, és az interferencia és a diffrakció jelenségeit a keretben magyarázzuk el. kvantum elmélet. Ugyanakkor megváltozott a részecskének mint eltűnően kis méretű, bizonyos pályán mozgó, minden ponton bizonyos sebességgel rendelkező objektumról alkotott elképzelése is.

Az új elmélet nem semmisíti meg a régi helyes eredményeit, de megváltoztathatja az értelmezésüket. Szóval, ha bent hullámelmélet színt a hullámhosszhoz társították, in korpuszkuláris a megfelelő részecske energiájával van összefüggésben: a szemünkben a vörös érzetét okozó fotonok energiája kisebb, mint a kéké. Anyag az oldalról

A fény esetében kísérletet végeztek elektronokkal (Yung-ga tapasztalata). A rések mögötti képernyő megvilágítása ugyanolyan megjelenésű volt, mint az elektronok és ez a kép fény interferencia, két résből a képernyőre hullás a fény hullámtermészetének bizonyítékaként szolgált.

Kapcsolódó probléma a részecskék hullám- és korpuszkuláris tulajdonságai, valójában van hosszú történelem. Newton úgy gondolta, hogy a fény részecskék áramlása. Ugyanakkor a fény hullámtermészetére vonatkozó hipotézis keringett, különösen Huygens nevéhez kötve. A fény viselkedésére vonatkozó akkori adatok (egyenes terjedés, visszaverődés, fénytörés és diszperzió) mindkét szempontból egyformán jól magyarázhatóak voltak. Ugyanakkor természetesen semmi határozottat nem lehetett mondani a fényhullámok vagy a részecskék természetéről.

Később azonban a jelenségek felfedezése után interferenciaÉs diffrakció Sveta ( eleje XIX c.) Newton hipotézisét elvetették. A fény „hullám vagy részecske” dilemmáját kísérletileg a hullám javára oldották meg, bár a fényhullámok természete továbbra is tisztázatlan maradt. Továbbá világossá vált a természetük. A fényhullámokról kiderült, hogy bizonyos frekvenciájú elektromágneses hullámok, azaz a zavarok terjedése elektromágneses mező. Úgy tűnt, a hullámelmélet végre diadalmaskodott.

Ezen az oldalon a következő témákban található anyagok:

A 20. század 20-as éveiben megállapították, hogy minden részecske részecskehullám jellegű. L. de Broglie (1924) elmélete szerint minden lendülettel rendelkező részecske egy λ hullámhosszú hullámfolyamatnak felel meg, azaz. λ = h / p. Minél kisebb a részecske tömege, annál hosszabb a hullámhossz. Mert elemi részecskék W. Heisenberg megfogalmazta a bizonytalansági elvet, amely szerint lehetetlen egy részecske térbeli helyzetét és lendületét egyszerre meghatározni. Következésképpen nem lehet kiszámítani az elektron pályáját az atommag területén, csak megbecsülni az atomban való jelenlétének valószínűségét. hullámfüggvényψ, amely felváltja a trajektória klasszikus fogalmát. A ψ hullámfüggvény a hullám amplitúdóját az elektron koordinátáitól függően jellemzi, a ψ 2 négyzete pedig térbeli eloszlás elektron egy atomban. A legegyszerűbb változatban a hullámfüggvény három térbeli koordinátától függ, és lehetővé teszi egy elektron megtalálásának valószínűségét az atomi térben vagy annak meghatározását. orbitális. És így, atompálya(AO) az atomi tér azon tartománya, amelyben a legnagyobb a valószínűsége az elektron megtalálásának. A hullámfüggvényeket a hullámmechanika alapvető összefüggésének - a Schrödinger-egyenletnek a megoldásával kapjuk meg. (A pontos megoldást a hidrogénatomra vagy a hidrogénszerű ionokra kapjuk; többelektronos rendszerekre különféle közelítéseket alkalmaznak). Határfelületnek nevezzük azt a felületet, amely 90-95%-ra korlátozza az elektron vagy az elektronsűrűség megtalálásának valószínűségét. Az atompálya és az elektronfelhősűrűség azonos határfelülettel (alakkal) és térbeli orientációval rendelkezik. Az elektron atomi pályája, energiája és térbeli iránya négy paramétertől függ: kvantumszámok.

A program egy számítógépes kísérletet ábrázol egy elektronsugár egy vagy két résen való áthaladására vonatkozóan. Lehetővé teszi, hogy megismerkedjen a mikroobjektumok kettős természetének megnyilvánulásával, vagyis a hullám és a korpuszkuláris tulajdonságok jelenlétével. A Heisenberg-féle bizonytalansági elv látható.

Ismeretes, hogy a fénynek hullám- és korpuszkuláris tulajdonságai is vannak. A hullámtulajdonságok akkor jelennek meg fényt terjeszteni(interferencia, diffrakció). A korpuszkuláris tulajdonságok akkor jelennek meg a fény kölcsönhatása anyaggal (fotoelektromos hatás, sugárzás és fényelnyelés atomok által).

A foton, mint részecske tulajdonságai (energia Eés lendület p) hullámtulajdonságaihoz (ν frekvencia és λ hullámhossz) kapcsolódnak az összefüggések.

Ahol h= 6,63·10 –34 J∙s – Planck állandó.

Louis de Broglie francia fizikus 1924-ben azt javasolta, hogy a hullám és a korpuszkuláris tulajdonságok kombinációja nemcsak a fényben rejlik, hanem minden anyagi test. De Broglie szerint minden testnek tömege van m, sebességgel halad v, hullámhosszúságú hullámfolyamatnak felel meg

A hullámtulajdonságok legvilágosabban az elemi részecskékben nyilvánulnak meg. Ez azért van így, mert a részecskék kis tömege miatt a hullámhossz összemérhető a kristályrácsokban lévő atomok távolságával. Ebben az esetben, amikor a részecskenyaláb kölcsönhatásba lép a kristályrácstal, diffrakció. Például a 150 eV energiájú elektronok λ ≈ 10–10 m hullámhossznak felelnek meg. A kristályok atomközi távolságai azonos nagyságrendűek. Ezért az elektronsugár hullámként szóródik a kristályon, vagyis a diffrakciós törvények szerint.

A részecskék hullámtulajdonságainak szemléltetésére gyakran alkalmaznak egy gondolatkísérletet – egy elektronnyaláb (vagy más részecskék) áthaladását egy Δ szélességű résen. x. Hullámelméleti szempontból egy rés diffrakciója után a nyaláb kiszélesedik θ ≈ λ / Δ szögdivergencia mellett. x. Korpuszkuláris szempontból a nyaláb kiszélesedését a résen való áthaladás után egy bizonyos keresztirányú impulzus megjelenése magyarázza a részecskékben. Ennek a keresztirányú momentumnak az értékeinek terjedése („bizonytalanság”) az

Hányados

Δ p xΔ x ≈ h

nak, nek hívják bizonytalansági viszonyok. Ez a kapcsolat a korpuszkuláris nyelvben a hullámtulajdonságok jelenlétét fejezi ki a részecskékben.

A részecskék hullámtulajdonságait még szembetűnőbb szemléltetéseként szolgálhat egy kísérlet, amelyben elektronnyaláb két egymáshoz közeli résen halad át. Ez a kísérlet az optikai analógja Jung interferencia kísérlete.

HULLÁM ÉS A FÉNY SZABÁLYOS TULAJDONSÁGAI

Kostroma Állami Egyetem
május 1. utca 14., Kostroma, Oroszország
E-mail: *****@; *****@***

Logikusan lehetséges a fényt a fizikai vákuum gerjesztéseinek periodikus sorozatának tekinteni. Ennek a megközelítésnek a következményeként megmagyarázzák a fény hullámának fizikai természetét és korpuszkuláris tulajdonságait.

A cikk logikus következtetést ad annak lehetőségéről, hogy a fényt fizikai vákuum-gerjesztések periódussorozatának tekintsük. Ennek a megközelítésnek a következményeként a hullámok fizikai természetét és a fény korpuszkuláris jellemzőit ismertetjük itt.

Bevezetés

A fényjelenségek fizikai természetének megértésére irányuló évszázados kísérletek a 20. század elején megszakadtak, amikor az anyag kettős tulajdonságait beemelték az elmélet axiomatikájába. A fényt egyszerre kezdték hullámnak és részecskének tekinteni. A sugárzási kvantum modelljét azonban formálisan konstruálták meg, és a sugárzási kvantum fizikai természetének még mindig nincs egyértelmű megértése.

Ezt a munkát az újak kialakításának szentelik elméleti elképzelések a fény fizikai természetéről, aminek minőségileg meg kell magyaráznia a hullámot és korpuszkuláris tulajdonságok Sveta. Korábban megjelentek a kidolgozott modell főbb rendelkezései és a modell keretein belül elért eredmények:

1. A foton a vákuum elemi gerjesztéseinek halmaza, amely a térben a vákuumhoz képest állandó sebességgel, a sebességtől független gerjesztési lánc formájában terjed. Egy megfigyelő számára a foton sebessége a megfigyelő vákuumhoz viszonyított sebességétől függ, logikailag abszolút térként modellezve.

2. A vákuum elemi gerjesztése egy fotópár, két (+) és (–) töltött részecske által alkotott dipólus. A dipólusok forognak és szögimpulzussal rendelkeznek, így együttesen alkotják a foton spinjét. A fényképek forgási sugara és a szögsebesség az Rω = const függéssel függ össze.

3. A fotonokat vékony, hosszú hengeres tűknek tekinthetjük. A tűhengerek képzeletbeli felületeit a fotonok spirális pályái alkotják. Minél nagyobb a forgási frekvencia, annál vékonyabb a fotontű. Egy fotópár egy teljes fordulata határozza meg a tér hullámhosszát a mozgás iránya mentén.

4. A fotonenergiát az egy fotonban lévő n fotonpárok száma határozza meg: ε = nhE, ahol hE egyenlő Planck állandó energiaegységekben.

5. Megkaptuk a foton spin ћ kvantitatív értékét. Elvégeztem a foton energia és kinematikai paraméterei közötti kapcsolat elemzését. Példaként kiszámítjuk a hidrogénatomban a 3d2p átmenet során keletkező foton kinematikai paramétereit. A spektrum látható részén lévő foton hossza méter.

6. Kiszámítottuk egy fotonpár tömegét m0 = 1,474·10-53 g, amely nagyságrendileg egybeesik a fotontömeg felső becslésével 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 modern elmélet.

7. Levonjuk a következtetést a C és h állandók változásáról, amikor egy foton mozog a gravitációs térben.

A foton periodikus szerkezetéből a fény hullámtulajdonságának oka intuitív módon egyértelmű: a hullám mint folyamat matematikája mechanikai rezgés fizikai környezet, és bármely minőségi jellegű periodikus folyamat matematikája egybeesik. A munkák kvalitatív magyarázatot adnak a fény hullám- és korpuszkuláris tulajdonságairól. Ez a cikk a fény fizikai természetével kapcsolatos elképzelések fejlesztését folytatja.

A fény hullám tulajdonságai

Amint azt korábban megjegyeztük, a fény fizikai természetéhez kapcsolódó periodicitás elemei hullámtulajdonságok megnyilvánulását okozzák. A hullámtulajdonságok fényben való megnyilvánulását számos megfigyelés és kísérlet igazolta, ezért nem ad okot kétségre. Kidolgozták a Doppler-effektus, interferencia, diffrakció, polarizáció, diszperzió, abszorpció és fényszóródás matematikai hullámelméletét. A fény hullámelmélete szervesen kapcsolódik a geometriai optika: határértékben l → 0 esetén az optika törvényei a geometria nyelvén megfogalmazhatók.

Modellünk nem törli a hullámmodell matematikai apparátusát. Munkánk fő célja és fő eredménye, hogy az elmélet axiomatikájában olyan változtatásokat hajtsunk végre, amelyek elmélyítik a jelenség fizikai lényegének megértését és kiküszöbölik a paradoxonokat.

A fénnyel kapcsolatos modern elképzelések fő paradoxona a hullám-részecske kettősség (WDP). A formális logika törvényei szerint a fény nem lehet egyszerre hullám és részecske a kifejezések hagyományos értelmében. A hullám fogalma kontinuumot feltételez, egy homogén közeget, amelyben a kontinuum elemeinek periodikus zavarai lépnek fel. A részecske fogalma az egyes elemek elszigeteltségét és autonómiáját feltételezi. A HPT fizikai értelmezése nem ilyen egyszerű.

A korpuszkuláris és a hullámmodell kombinációja a „hullám részecskék halmazának zavarása” elv szerint kifogásolható, mivel a hullámtulajdonságok megléte egy egyedi, egyetlen fényrészecskében szilárdan megalapozottnak tekinthető. A ritkán utazó fotonok interferenciáját Jánosi fedezte fel, de a kísérlet kvantitatív eredményei, részletei és részletes elemzése képzés Nem. Ilyen fontos, alapvető eredményekről nincs információ sem a referencia kiadványokban, sem a fizikatörténeti kurzusban. Úgy tűnik, a fény fizikai természetének kérdése már a tudomány mély hátterét képezi.

Próbáljuk meg rekonstruálni Janoschi kísérletének az eredmények értelmezése szempontjából logikailag jelentős mennyiségi paramétereit Biberman, Sushkin és Fabrikant elektronokkal végzett hasonló kísérleteinek gyér leírása alapján. Nyilvánvalóan Janoschi kísérletében a rövid, nagy intenzitású JB fényimpulzusból kapott interferenciamintázatot hasonlították össze a gyenge JM fotonfluxusból hosszú időn át kapott mintázattal. A két vizsgált helyzet között az a lényeges különbség, hogy JM áramlás esetén ki kell zárni a fotonok kölcsönhatását a diffrakciós eszközön belül.

Mivel Jánosi nem talált eltérést az interferenciamintázatokban, nézzük meg, hogy ehhez milyen feltételek szükségesek modellünk keretein belül.

Egy Lf = 4,5 m hosszú foton halad adott pont tér az időben τ = Lф / C = 4,5 /3ּ108 ≈ 1,5ּ10-8 s. Ha a diffrakciós rendszer (eszköz) mérete 1 m nagyságrendű, akkor az az idő, amely alatt egy Lph hosszúságú foton áthalad az eszközön, hosszabb lesz: τ' = (Lph + 1) / C ≈ 1,8-10– 8 s.

Egy külső szemlélő nem láthat egyetlen fotont. A foton rögzítésére tett kísérlet megsemmisíti azt – nincs más mód az elektromosan semleges fényrészecskék „látására”. A kísérlet a fény időátlagolt tulajdonságait, különösen az intenzitást (időegységre eső energia) használja. A diffrakciós eszközön belüli fotonok metszéspontjának megakadályozása érdekében a mozgási pálya mentén el kell különíteni őket a térben úgy, hogy az eszköz áthaladási ideje τ' kisebb legyen, mint a következő fotonok telepítéséhez érkezését elválasztó t idő. , azaz τ'< t, или t >1,8-10-8 s.

Az elektronokkal végzett kísérletekben a diffrakciós rendszeren egymás után áthaladó két részecske közötti átlagos időtartam körülbelül 3-104-szer hosszabb volt, mint az az idő, amelyet egy elektron a teljes eszközön áthalad. Pontos részecskék esetében ez az összefüggés meggyőző.

A fénnyel szerzett tapasztalatok lényegesen eltérnek az elektronok tapasztalatától. Míg az elektronok egyedisége az energiájuk enyhe torzításával szabályozható, a fotonokkal ez lehetetlen. A fotonokkal végzett kísérletekben nem lehet teljes az a meggyőződés, hogy a fotonok a térben elszigeteltek; Statisztikailag lehetséges, hogy két foton szinte egyszerre érkezik. Ez gyenge interferenciamintát eredményezhet hosszú megfigyelési idő alatt.

Janoschi kísérleteinek eredményei vitathatatlanok, azonban a tapasztalatelméletről nem vonható le ilyen következtetés. Az elmélet valójában azt feltételezi, hogy az interferencia-mintázat kizárólag a képernyő felületén lévő részecskék egymás közötti kölcsönhatásának eredményeként jön létre. Erős fényáramok és sok részecske jelenléte esetén intuitív módon ez a legvalószínűbb oka az interferencia megjelenésének, de gyenge fényáramoknál a képernyő megvilágításában megjelenő periodicitás másik oka is jelentőssé válhat. A fény irányt változtat, ha kölcsönhatásba lép szilárd testtel. Hasított élek, vonások diffrakciós rácsés egyéb diffrakciót okozó akadályok - ez egy olyan felület, amely messze nem ideális, nem csak a felületkezelés tisztasága szempontjából. A felületi réteg atomjai egy periodikus szerkezet, amelynek periódusa összemérhető az atom méretével, azaz a periodicitás angstrom-rendű. A fotonon belüli fotópárok távolsága L0 ≈ 10–12 cm, ami 4 nagyságrenddel kisebb. A fotópárok visszaverődése a felület periodikus szerkezetéről a képernyő megvilágított és nem megvilágított területeinek megismételhetőségét kell, hogy okozza.

Bármilyen felületről visszaverődő visszavert fény terjedési irányaiban mindig egyenlőtlenségnek kell lennie, de erős fényáramoknál csak az átlagos jellemzők jelentősek, és ez a hatás nem jelentkezik. Gyenge fényáram esetén ez interferenciához hasonló képernyő-megvilágítást eredményezhet.

Mivel az elektron méretei is jóval kisebbek, mint a test felületének periodikus szerkezetének méretei, ezért az elektronok esetében is egyenlőtlen irányú diffrakciós részecskék keletkezhetnek, és gyenge elektronáramlás esetén ez lehet az egyetlen oka a test felületének periodikus szerkezetének. hullám tulajdonságai.

Így a hullámtulajdonságok jelenléte a részecskékben, legyenek azok fotonok vagy elektronok, a diffrakciós eszköz visszaverő vagy törő felületének hullámtulajdonságaival magyarázható.

Ennek a hipotézisnek az esetleges kísérleti megerősítésére (vagy cáfolatára) bizonyos hatások előre jelezhetők.

Erős fényáramoknál a fény interferencia tulajdonságainak fő oka magának a fénynek a periodikus szerkezete, egy kiterjesztett foton. A különböző fotonokból származó fotópárok vagy felerősítik egymást a képernyőn, amikor a fázis egybeesik (vektorok r a kölcsönhatásban lévő párok képeinek középpontjai egybeesnek, vagy fáziseltérés esetén gyengülnek (vektorok) r a fotók közepe közötti irány nem esik egybe). Ez utóbbi esetben a különböző fotonokból származó fotópárok nem okoznak együttes egyidejű cselekvést, hanem a képernyő azon helyeire esnek, ahol a megvilágítás csökkenése figyelhető meg.

Ha a képernyő átlátszó lemez, akkor a következő hatás figyelhető meg: a visszavert fény minimuma megfelel az áteresztett fény maximumának. Azokon a helyeken, ahol a visszavert fényben minimális a megvilágítás, bejut a fény is, de ezeken a helyeken nem verődik vissza, hanem átmegy a lemezbe.

A lemezen visszavert és áteresztett fény kölcsönös komplementaritása az interferencia jelenségében - ismert tény, amelyet elméletben a fény hullámmodelljének jól fejlett formális matematikai apparátusa ír le. Különösen a reflexió során vezeti be az elmélet a félhullám elvesztését, és ez „megmagyarázza” az átvitt és visszavert komponensek fáziskülönbségét.

A mi modellünkben újdonság a jelenség fizikai természetének magyarázata. Azzal érvelünk, hogy gyenge fényáramoknál, ha a fotonok kölcsönhatása a diffrakciós eszközön belül kizárt, az interferenciamintázat kialakulásának jelentős oka nem magának a fénynek a periodikus szerkezete, hanem a fény felületének periodikus szerkezete lesz. diffrakciót okozó eszköz. Ebben az esetben a képernyő felületén már nem lesz kölcsönhatás a különböző fotonokból származó fotópárok között, és az interferencia abban nyilvánul meg, hogy azokon a helyeken, ahol a fény ér, maximális megvilágítás lesz, máshol nem lesz fény. A minimális megvilágítású helyeken a fény egyáltalán nem ér el, és ez ellenőrizhető a visszavert és áteresztett fény interferenciamintázatának kölcsönös komplementaritása hiánya.

Egy másik lehetőség a kérdéses előrejelzés és általában a hipotézisünk tesztelésére az gyenge fényáramokhoz más anyagból készült diffrakciós eszköz, amelyet az atomok eltérő felületi sűrűsége jellemez, eltérő interferenciamintát kell adnia ugyanannak fényáram . Ez az előrejelzés is alapvetően tesztelhető.

A tükröződő test felületének atomjai részt vesznek hőmozgás, csomópontok kristályrács elkövetni harmonikus rezgések. A kristály hőmérsékletének emelkedése gyenge fényáram esetén az interferenciamintázat elmosódásához kell, hogy vezessen, mivel ebben az esetben az interferencia csak a visszaverő felület periodikus szerkezetétől függ. Erős fényáramok esetén a diffrakciós eszköz hőmérsékletének az interferenciamintára gyengébbnek kell lennie, bár ez nem kizárt, mivel a kristályrács csomópontjainak hőrezgései megsérthetik a különböző fotonokról visszavert fotópárok koherenciájának feltételét. . Ez az előrejelzés is alapvetően tesztelhető.

A fény korpuszkuláris tulajdonságai

Publikációinkban a „foton szerkezeti modellje” kifejezést javasoltuk. Az idézőjelbe tett szókombinációt ma elemezve rendkívül sikertelennek kell tekinteni. A tény az, hogy modellünkben a foton nem lokalizált részecskeként létezik. A sugárzó energia kvantumát, amelyet a modern elméletben fotonnal azonosítanak, modellünkben a vákuum gerjesztésének halmaza, amelyet fotonpároknak nevezünk. A gerjesztések a térben a mozgás iránya mentén oszlanak el. Annak ellenére, hogy a mikrovilág méretaránya óriási, a kis időintervallum miatt, amely alatt egy ilyen párhalmaz elrepül vagy ütközik bármilyen mikroobjektumnak, valamint a mikrovilág objektumainak relatív tehetetlensége miatt, a kvantumok kibontakozhatnak. ezek a mikroobjektumok teljesen elnyelik. A kvantumfoton csak a mikroobjektumokkal való ilyen kölcsönhatás során észlelhető külön részecskeként, amikor a mikroobjektum és az egyes fotópárok kölcsönhatásának hatása felhalmozódhat, például gerjesztés formájában. elektronhéj atom vagy molekula. A fény az ilyen kölcsönhatás során korpuszkuláris tulajdonságokat mutat, amikor jelentős, modellben megvalósított, elméletileg figyelembe vett tényező egy bizonyos diszkrét mennyiségű fényenergia kibocsátása vagy elnyelése.

Még az energiakvantumok formális elképzelése is lehetővé tette Planck számára, hogy elmagyarázza a fekete test sugárzásának jellemzőit, és Einstein megértse a fotoelektromos hatás lényegét. A diszkrét energiarészek fogalma segített leírni ezeket fizikai jelenségek, mint a fénynyomás, a fényvisszaverődés, a diszperzió – amit a hullámmodell nyelvén már leírtunk. A diszkrét energia, és nem a pontrészecskék-fotonok ötlete az, ami igazán lényeges a fény modern korpuszkuláris modelljében. Az energiakvantum diszkrétsége lehetővé teszi az atomok és molekulák spektrumának megmagyarázását, de a kvantumenergia lokalizációja egy izolált részecskében ellentmond annak a kísérleti ténynek, hogy az energiakvantum atom általi kibocsátásának és abszorpciójának ideje. meglehetősen nagy a mikrovilág léptékében - körülbelül 10-8 s. Ha a kvantum egy lokalizált pontrészecske, akkor mi történik ezzel a részecskével 10-8 másodperc alatt? A kiterjesztett kvantumfoton bevezetése a fény fizikai modelljébe nemcsak a sugárzási és abszorpciós folyamatok, hanem általában a sugárzás korpuszkuláris tulajdonságainak minőségi megértését is lehetővé teszi.

Fényképek mennyiségi paraméterei

Modellünkben a fő szempont egy fotópár. A foton méretéhez képest (a látható fény hosszirányú méretei méterek) a vákuum gerjesztése egy fotópár formájában pontszerűnek tekinthető (hosszirányban kb. 10-14 m). Számszerűsítsünk néhány fotóparamétert. Ismeretes, hogy egy elektron és egy pozitron megsemmisülése γ-kvantumokat eredményez. Születjen két γ-kvantum. Becsüljük meg mennyiségi paramétereik felső határát, feltételezve, hogy az elektron és a pozitron energiája egyenlő ezen részecskék nyugalmi energiájával:

A megjelent fotópárok száma:

. (2)

Az összes (–) fotó teljes töltése egyenlő –e, ahol e az elektron töltése. Az összes (+) fénykép teljes díja +e. Számítsuk ki egy fénykép töltési modulusát:

Cl. (3)

Körülbelül a mozgó töltések dinamikus kölcsönhatásának figyelembevétele nélkül feltételezhetjük, hogy elektrosztatikus kölcsönhatásuk ereje egy forgó fotópár centripetális erejeként hat. Mivel a forgó töltések lineáris sebessége egyenlő C-vel, így kapjuk (SI rendszerben):

ahol m0 / 2 = hE / C2 egy fénykép tömege. A (4)-ből megkapjuk a fototöltésközpontok forgási sugarának kifejezését:

m. (5)

Ha egy foton „elektromos” keresztmetszetét egy REl sugarú S kör területének tekintjük, a következőt kapjuk:

A munka képletet ad a fotonkeresztmetszet kiszámításához a QED keretein belül:

ahol σ cm2-ben van mérve. Feltételezve, hogy ω = 2πν és ν = n (a méret figyelembe vétele nélkül), a QED módszerrel becslést kapunk a keresztmetszetről:

. (8)

A fotonkeresztmetszetre vonatkozó becslésünkhöz képest a különbség 6 nagyságrend, azaz megközelítőleg 9%. Megjegyzendő, hogy a ~10-65 cm2 fotonkeresztmetszetre vonatkozó eredményünket az álló részecskék megsemmisülésének felső becsléseként kaptuk, és egy valódi elektronnak és pozitronnak van mozgási energiája. A kinetikus energiát figyelembe véve a keresztmetszetnek kisebbnek kell lennie, mivel az (1) képletben nagyobb lesz a sugárzássá alakított részecske energia, és ebből adódóan a fotonpárok száma is nagyobb lesz. Egy fotó töltésének számított értéke kisebb lesz (3. képlet), ezért kisebb lesz az REl (5. képlet) és az S keresztmetszet (6. képlet). Ezt figyelembe véve fel kell ismernünk, hogy a fotonkeresztmetszetre vonatkozó becslésünk megközelítőleg egybeesik a QED becsléssel.

Vegye figyelembe, hogy a fénykép specifikus töltése egybeesik konkrét díj elektron (pozitron):

. (9)

Ha egy fénynek (mint az elektronnak) van egy hipotetikus „magja”, amelyben a töltése koncentrálódik, és egy „bevonata” megzavart fizikai vákuummal, akkor egy fénypár „elektromos” keresztmetszete nem eshet egybe a „mechanikai” keresztmetszettel. " keresztmetszet. Hagyja, hogy a fényképek tömegközéppontjai egy RMex sugarú kör mentén forogjanak C sebességgel. Mivel C = ωRMex, a következőt kapjuk:

. (10)

Így annak a körnek a hossza, amely mentén a fényképek tömegközéppontjai forognak, megegyezik a hullámhosszal, ami teljesen természetes, tekintve a transzlációs és forgási sebességek egyenlőségét a „hullámhossz” fogalmának mi értelmezésében. De ebben az esetben kiderül, hogy a fent tárgyalt annihiláció eredményeként kapott fotonok esetében RMech ≈ 3,8∙10–13 m ≈ 1022∙REEl. A fotómagokat körülvevő, zavart vákuum szőrme magához képest gigantikus méretű.

Természetesen ezek mind meglehetősen durva becslések. Egy új modell sem versenyezhet pontosságban egy már hajnalba érkezett modellel. Például, amikor Kopernikusz heliocentrikus modellje megjelent, körülbelül 70 éven keresztül gyakorlati csillagászati ​​számításokat végeztek Ptolemaiosz geocentrikus modelljének megfelelően, mert ez pontosabb eredményre vezetett.

A modellek alapvetően új alapokon történő bevezetése a tudományba nemcsak ütközés a szubjektív ellentéttel, hanem a számítások és előrejelzések pontosságának objektív elvesztése is. Paradox eredmények is lehetségesek. Az így kapott ~1022-es nagyságrendű arány a fotók elektromos és mechanikai forgási sugarai között nemcsak váratlan, hanem fizikailag is felfoghatatlan. Az eredő összefüggést csak úgy lehet valahogy megérteni, ha feltételezzük, hogy egy fotópár forgatása örvény jellegű, mivel ebben az esetben egyenlőséggel lineáris sebességek a forgásközépponttól eltérő távolságra elhelyezkedő alkatrészek, szögsebességeiknek eltérőnek kell lenniük.

Intuitív módon a térfogati szerkezet vékony közegből – fizikai vákuumból – való forgásának örvényes jellege még érthetőbb, mint a szilárd test forgására emlékeztető fotópár forgatásának gondolata. Az örvénymozgás elemzésének ezt követően a vizsgált folyamat új minőségi megértéséhez kell vezetnie.

Eredmények és következtetések

A munka tovább fejleszti a fény fizikai természetével kapcsolatos elképzeléseket. Elemezzük a hullám-részecske kettősség fizikai természetét. A gyenge fényáramok interferenciájára és diffrakciójára vonatkozó kísérletekben alapvetően ellenőrizhető hatásokat jósoltak meg. A fotók mechanikai és elektromos paramétereinek mennyiségi számításait elvégeztem. Kiszámoljuk egy fotonpár keresztmetszetét, és következtetést vonunk le a pár örvényszerkezetére vonatkozóan.

Irodalom

1. Mózes foton. – Dep. a VINITI-ben 98.12.02, 000 – B98 sz.

2. Moiseev és az energia a foton szerkezeti modelljében. – Dep. in VINITI 04/01/98, 000 – B98 sz.

3. A mozgás állapotában lévő test összenergiájáról és tömegéről. – Dep. in VINITI 05/12/98, 000 – B98 sz.

4. Moiseev a gravitációs térben. – Dep. a VINITI-ben 10.27.99, 000 – B99 sz.

5. Moiseev fotonszerkezetek. – Kostroma: a KSU kiadója névadója. , 2001.

5. Mózes foton // Proceedings of the Congress-2002 „A természettudomány és technológia alapvető problémái”, III. rész, 229–251. – Szentpétervár, Szentpétervári Állami Egyetemi Kiadó, 2003.

7. Fiz. Fordulat. Lett.3). http://prl. aps. org

8. Sivukhin és a magfizika. 2 részben 1. rész Atomfizika. – M.: Nauka, 1986.

9. Fizikai enciklopédikus szótár. 5 kötetben - M.: Szovjet enciklopédia, 1960–66.

10. Fizika. Nagy enciklopédikus szótár. – M.: Nagy Orosz Enciklopédia, 1999.

11. Kudrjavcev fizikatörténet. – M.: Nevelés, 1974.

12. Akhiezer elektrodinamika /, - M.: Nauka, 1981.

Az elemi részecskék hullám- és korpuszkuláris tulajdonságai

A fény hullám tulajdonságai

Régóta ismert, hogy a fénynek hullámtulajdonságai vannak. Robert Hooke Micrographia (1665) című munkájában a fényt a hullámok terjedésével hasonlítja össze. Christian Huygens 1690-ben adta ki Treatise on Light című művét, amelyben kidolgozta a fény hullámelméletét. Érdekes, hogy Newton, aki ismerte ezeket a műveket, az optikáról szóló értekezésében meggyőzi magát és másokat arról, hogy a fény részecskékből – testecskékből – áll. Newton tekintélye egy ideig még a fény hullámelméletének elismerését is megakadályozta. Ez annál is meglepőbb, mert Newton nemcsak hallott Hooke és Huygens munkásságáról, hanem maga is tervezett és gyártott egy olyan műszert, amelyen megfigyelte az interferencia jelenségét, amelyet ma minden iskolás „Newton’s Rings” néven ismer. A diffrakció és az interferencia jelenségeit egyszerűen és természetesen magyarázza a hullámelmélet. Neki, Newtonnak meg kellett változtatnia magát, és nagyon homályos tartalmú „hipotézisek feltalálásához” kellett folyamodnia ahhoz, hogy a sejttestek megfelelően mozogjanak.

Newton tudósként a legnagyobb sikerét a bolygók mozgásának magyarázatában érte el az általa felfedezett mechanika törvényei segítségével. Természetesen ugyanezekkel a törvényekkel próbálta megmagyarázni a fény mozgását, de ahhoz, hogy ez lehetséges legyen, a fénynek szükségszerűen testtestekből kell állnia. Ha a fény részecskékből áll, akkor a mechanika törvényei érvényesek rájuk, és ahhoz, hogy megtaláljuk mozgásuk törvényeit, csak azt kell kideríteni, hogy milyen erők hatnak közöttük és az anyag között. Az olyan változatos jelenségek, mint a bolygók mozgása és a fény terjedése ugyanazon elvek alapján megmagyarázni hatalmas feladat, és Newton nem tagadhatta meg magától a megoldás keresésének örömét. Modern tudomány nem ismeri el Newton korpuszkuláris elméletét, ennek ellenére Einstein fotoelektromos hatásról szóló munkájának megjelenése óta a fényt általában részecskékből-fotonokból állónak tartják. Newton nem tévedett abban, hogy a bolygók mozgását és a fény terjedését bizonyos általános elvek szabályozzák, amelyek számára ismeretlenek voltak.

Emlékezzünk vissza a legismertebb kísérletekre, műszerekre, eszközökre, amelyekben a fény hullámtermészete a legvilágosabban megnyilvánul.

1. "Newton gyűrűi".

2. A két lyukon áthaladó fény interferencia.

3. Vékony filmekről visszaverődő fény interferencia.

4. Különféle műszerek és eszközök: Fresnel biprizma, Fresnel tükrök, Lloyd tükör; interferométerek: Michelson, Mach-Zehnder, Fabry-Perot.

5. Fényelhajlás keskeny rés által.

6. Diffrakciós rács.

7. Poisson helyére.

Mindezek a kísérletek, műszerek, eszközök vagy jelenségek jól ismertek, ezért nem fogunk rajtuk kitérni. Csak egy érdekes részletre szeretném emlékeztetni a „Poisson-folt” névvel kapcsolatban. Poisson a hullámelmélet ellenfele volt. Fresnel módszerét figyelembe véve arra a következtetésre jutott, hogy ha a fény hullám, akkor egy átlátszatlan korong geometriai árnyékának közepén egy fényes foltnak kell lennie. Tekintve, hogy ez a következtetés abszurd, meggyőző ellenvetésként terjesztette elő a hullámelmélettel szemben. Ezt az abszurd jóslatot azonban Aragon kísérletileg megerősítette.

A fény korpuszkuláris tulajdonságai

1905 óta a tudomány tudja, hogy a fény nemcsak hullám, hanem részecskék - fotonok - folyama is. Az egész a fotoelektromos hatás felfedezésével kezdődött.

A fotoelektromos hatást Hertz fedezte fel 1887-ben.

1888-1889 között Stoletov kísérletileg vizsgálta a jelenséget.

1898 Lenard és Thompson felfedezte, hogy a fény által kibocsátott részecskék elektronok.

A fotoelektromos hatás fő problémája az volt a tudósoknak, hogy az anyagból a fény hatására kilökődő elektronok energiája nem függ az anyagra beeső fény intenzitásától. Csak a gyakoriságától függ. A klasszikus hullámelmélet nem tudta megmagyarázni ezt a hatást.

1905 Einstein elméleti magyarázatot adott a fotoelektromos hatásról, amiért 1921-ben Nobel-díjat kapott.

Einstein feltételezése szerint a fény fotonokból áll, amelyek energiája csak a frekvenciától függ, és a Planck-képlet alapján számítják ki: . A fény képes eltávolítani egy elektront az anyagból, ha a fotonnak elegendő energiája van ehhez. Ebben az esetben a megvilágított felületre eső fotonok száma nem számít. Ezért a fény intenzitása nem számít a fotoelektromos hatás kialakulásában.

A fotoelektromos hatás magyarázata során Einstein Planck híres hipotézisét használta. Planck egyszer azt javasolta, hogy a fényt részletekben - kvantumokban - bocsátják ki. Most Einstein azt javasolta, hogy a fény ráadásul részenként nyelődik el. Ez a feltételezés elegendő volt a fotoelektromos hatás magyarázatához. Einstein azonban tovább megy. Feltételezi, hogy a fény részekben vagy fotonokban oszlik el. Ekkor még nem volt kísérleti alapja egy ilyen kijelentésnek.

Einstein hipotézisének legközvetlenebb megerősítését Bothe kísérlete adta.

Bothe kísérletében egy vékony F fémfóliát helyeztek el két Sch gázkisülési számláló közé. A fóliát gyenge röntgensugár világította meg, melynek hatására maga is röntgensugárzás forrásává vált. A szekunder fotonokat Geiger-számlálókkal rögzítették. A számláló indításakor a jel az M mechanizmusokhoz továbbításra került, amelyek nyomot hagytak az L mozgó szalagon. Ha a másodlagos sugárzást a következő formában bocsátották ki gömbhullámok, akkor mindkét számlálónak egyszerre kell tüzelnie. A tapasztalatok szerint azonban a mozgó szalagon a nyomok egymástól teljesen függetlenül helyezkedtek el. Ez csak egyféleképpen magyarázható: a másodlagos sugárzás egyedi részecskék formájában jelentkezik, amelyek akár az egyik, akár az ellenkező irányba repülhetnek. Ezért a két számláló nem működhet egyszerre.

Compton tapasztalat

1923-ban Arthur Holly Compton amerikai fizikus, miközben a röntgensugárzás különböző anyagok általi szórását tanulmányozta, felfedezte, hogy az anyag által szórt sugarakban az eredeti sugárzással együtt hosszabb hullámhosszú sugarak is találhatók. A röntgensugárzásnak ez a viselkedése csak kvantummechanikai szempontból lehetséges. Ha a röntgensugarak kvantumrészecskékből állnak, akkor ezek a részecskék nyugalmi elektronokkal ütközve energiát veszítenek, ahogyan a gyorsan repülő golyó is veszít energiát, ha egy állóval ütközik. A repülő labda energiát vesztve lelassul. A foton nem tud lelassulni, sebessége mindig egyenlő a fénysebességgel, valójában maga is fény. De mivel a foton energiája egyenlő -vel, a foton az ütközésre a frekvenciájának csökkentésével reagál.

Legyen a foton energiája és lendülete az ütközés előtt:

;

A foton energiája és impulzusa elektronszórás után:

;

.

Az elektron energiája a fotonnal való ütközés előtt:

Az ütközés előtti impulzus nulla – az elektron az ütközés előtt nyugalomban van.

Az ütközés után az elektron lendületet vesz, és energiája ennek megfelelően nő: . Az utolsó összefüggést az egyenlőségből kapjuk: .

Tegyük egyenlőségjelnek a rendszer foton és elektron ütközése előtti energiáját az ütközés utáni energiával.

A második egyenlet a lendület megmaradásának törvényéből adódik. Ebben az esetben természetesen nem szabad elfelejtenünk, hogy az impulzus vektormennyiség.

;

Alakítsuk át az energiamegmaradási egyenletet

,

és a jobb és a bal oldalt négyzetre tesszük

.

A kapott kifejezéseket egyenlővé tesszük az elektron impulzus négyzetére

, honnan kapjuk: . Mint általában,

mutassuk be a jelölést .

A mennyiséget az elektron Compton-hullámhosszának nevezzük, és jelöljük. Ezen jelölések ismeretében írhatunk egy kifejezést, amely a Compton-féle kísérleti eredmény elméleti levezetését reprezentálja: .

De Broglie hipotézise és más részecskék hullámtulajdonságai

1924-ben de Broglie feltételezte, hogy a fotonok sem kivételek. De Broglie szerint más részecskéknek is hullámtulajdonságokkal kell rendelkezniük. Ráadásul egyrészt az energia és az impulzus, másrészt a hullámhossz és a frekvencia közötti kapcsolatnak pontosan ugyanolyannak kell lennie, mint az elektromágneses fotonok esetében.

Fotonokhoz, . De Broglie feltételezése szerint egy frekvenciájú és hullámhosszú anyaghullámot egy részecskéhez kell társítani. .

Milyen hullám ez és miről szól fizikai jelentése, de Broglie nem tudta megmondani. Ma általánosan elfogadott, hogy a de Broglie-hullám valószínűségi jelentéssel bír, és azt a valószínűséget jellemzi, hogy a tér különböző pontjain egy részecskét találunk.

A legérdekesebb ebben az, hogy kísérleti úton fedezték fel a részecskék hullámtulajdonságait.

1927-ben Davisson és Jammer felfedezte a nikkelkristályról visszaverődő elektronsugarak diffrakcióját.

1927-ben fia, J.J. Thomson és egymástól függetlenül Tartakovsky diffrakciós mintázatot kapott, amikor egy elektronsugár áthaladt a fémfólián.

Ezt követően megkaptuk diffrakciós mintákés molekuláris nyalábokhoz.

A fény hullám- és korpuszkuláris tulajdonságai - 1/1. oldal

HULLÁM ÉS A FÉNY SZABÁLYOS TULAJDONSÁGAI

© Moiseev B.M., 2004

Kostroma Állami Egyetem
1 May Street, 14, Kostroma, 156001, Oroszország
Email: [e-mail védett] ; [e-mail védett]

Logikusan lehetséges a fényt a fizikai vákuum gerjesztéseinek periodikus sorozatának tekinteni. Ennek a megközelítésnek a következményeként megmagyarázzák a fény hullámának fizikai természetét és korpuszkuláris tulajdonságait.

A cikk logikus következtetést ad annak lehetőségéről, hogy a fényt fizikai vákuum-gerjesztések periódussorozatának tekintsük. Ennek a megközelítésnek a következményeként a hullámok fizikai természetét és a fény korpuszkuláris jellemzőit ismertetjük itt.

Bevezetés

A fényjelenségek fizikai természetének megértésére irányuló évszázados kísérletek a 20. század elején megszakadtak, amikor az anyag kettős tulajdonságait beemelték az elmélet axiomatikájába. A fényt egyszerre kezdték hullámnak és részecskének tekinteni. A sugárzási kvantum modelljét azonban formálisan konstruálták meg, és a sugárzási kvantum fizikai természetének még mindig nincs egyértelmű megértése.

Ezt a munkát a fény fizikai természetére vonatkozó új elméleti elképzelések kialakításának szentelték, amelyek minőségi magyarázatot adnak a fény hullám- és korpuszkuláris tulajdonságaira. Korábban megjelentek a kidolgozott modell főbb rendelkezései és a modell keretein belül elért eredmények:

1. A foton a vákuum elemi gerjesztéseinek halmaza, amely gerjesztések láncaként terjed a térben, a vákuumhoz képest állandó sebességgel, függetlenül a fényforrás sebességétől. Egy megfigyelő számára a foton sebessége a megfigyelő vákuumhoz viszonyított sebességétől függ, logikailag abszolút térként modellezve.

2. A vákuum elemi gerjesztése egy fotópár, két (+) és (–) töltött részecske által alkotott dipólus. A dipólusok forognak és szögimpulzussal rendelkeznek, így együttesen alkotják a foton spinjét. A fényképek forgási sugara és a szögsebesség az Rω = const függéssel függ össze.

3. A fotonokat vékony, hosszú hengeres tűknek tekinthetjük. A tűhengerek képzeletbeli felületeit a fotonok spirális pályái alkotják. Minél nagyobb a forgási frekvencia, annál vékonyabb a fotontű. Egy fotópár egy teljes fordulata határozza meg a tér hullámhosszát a mozgás iránya mentén.

4. A foton energiáját az egy fotonban lévő n fotonpárok száma határozza meg: ε = nh E, ahol h E a Planck-állandóval egyenlő energiaegységekben.

5. Megkaptuk a foton spin ћ kvantitatív értékét. Elvégeztem a foton energia és kinematikai paraméterei közötti kapcsolat elemzését. Példaként kiszámítjuk egy hidrogénatomban a 3d2p átmenet során keletkező foton kinematikai paramétereit. A spektrum látható részén lévő foton hossza méter.

6. Kiszámítottuk egy fotonpár tömegét m 0 = 1,474·10 –53 g, ami nagyságrendileg egybeesik az m  fotontömeg felső becslésével.

7. Levonjuk a következtetést a C és h állandók változásáról, amikor egy foton mozog a gravitációs térben.

A foton periodikus szerkezetéből a fény hullámtulajdonságai intuitív módon egyértelműek: a hullám matematikája, mint a fizikai közeg mechanikai rezgési folyamata, és a bármilyen minőségi jellegű periodikus folyamat matematikája egybeesik. . A munkák kvalitatív magyarázatot adnak a fény hullám- és korpuszkuláris tulajdonságairól. Ez a cikk a fény fizikai természetével kapcsolatos elképzelések fejlesztését folytatja.

A fény hullám tulajdonságai

Amint azt korábban megjegyeztük, a fény fizikai természetéhez kapcsolódó periodicitás elemei hullámtulajdonságok megnyilvánulását okozzák. A hullámtulajdonságok fényben való megnyilvánulását számos megfigyelés és kísérlet igazolta, ezért nem ad okot kétségre. Kidolgozták a Doppler-effektus, interferencia, diffrakció, polarizáció, diszperzió, abszorpció és fényszóródás matematikai hullámelméletét. A fény hullámelmélete szervesen kapcsolódik a geometriai optikához: határértékben,  → 0-nál az optika törvényei a geometria nyelvén megfogalmazhatók.

Modellünk nem törli a hullámmodell matematikai apparátusát. Munkánk fő célja és fő eredménye, hogy az elmélet axiomatikájában olyan változtatásokat hajtsunk végre, amelyek elmélyítik a jelenség fizikai lényegének megértését és kiküszöbölik a paradoxonokat.

A fénnyel kapcsolatos modern elképzelések fő paradoxona a hullám-részecske kettősség (WDP). A formális logika törvényei szerint a fény nem lehet egyszerre hullám és részecske a kifejezések hagyományos értelmében. A hullám fogalma kontinuumot feltételez, egy homogén közeget, amelyben a kontinuum elemeinek periodikus zavarai lépnek fel. A részecske fogalma az egyes elemek elszigeteltségét és autonómiáját feltételezi. A HPT fizikai értelmezése nem ilyen egyszerű.

A korpuszkuláris és a hullámmodell kombinálása a „hullám a részecskék halmazának zavarása” elv szerint kifogásokat vet fel, mert A hullámtulajdonságok jelenléte az egyes fényrészecskékben szilárdan megalapozottnak tekinthető. A ritkán repülő fotonok interferenciáját Jánosi fedezte fel, de a kísérletről sem kvantitatív eredmények, sem részletek, sem részletes elemzés nem szerepel a képzésben. Ilyen fontos, alapvető eredményekről nincs információ sem a referencia kiadványokban, sem a fizikatörténeti kurzusban. Úgy tűnik, a fény fizikai természetének kérdése már a tudomány mély hátterét képezi.

Próbáljuk meg rekonstruálni Janoschi kísérletének az eredmények értelmezése szempontjából logikailag jelentős mennyiségi paramétereit Biberman, Sushkin és Fabrikant elektronokkal végzett hasonló kísérleteinek gyér leírása alapján. Nyilvánvaló, hogy a Janoschi-kísérletben a rövid, nagy intenzitású J B fényimpulzusból kapott interferenciamintázatot hasonlították össze a hosszú időn át kapott J M gyenge fotonfluxusból származó mintázattal. A szignifikáns különbség a két vizsgált helyzet között az, hogy J M fluxus esetén a fotonok kölcsönhatása a határokon belül van diffrakciós eszközt ki kell zárni.

Mivel Jánosi nem talált eltérést az interferenciamintázatokban, nézzük meg, hogy ehhez milyen feltételek szükségesek modellünk keretein belül.

Egy L f = 4,5 m hosszú foton áthalad egy adott térbeli ponton τ = L f / C = 4,5 /3ּ10 8 ≈ 1,5ּ10 –8 s. Ha a diffrakciós rendszer (eszköz) mérete 1 m nagyságrendű, akkor az az idő, amely alatt egy L f hosszúságú foton áthalad az eszközön, hosszabb lesz: τ' = (L f + 1) / C ≈ 1,8 ּ10-8 s.

Egy külső szemlélő nem láthat egyetlen fotont. A foton rögzítésére tett kísérlet megsemmisíti azt – nincs más mód az elektromosan semleges fényrészecskék „látására”. A kísérlet a fény időátlagolt tulajdonságait, különösen az intenzitást (időegységre eső energia) használja. A diffrakciós eszközön belüli fotonok metszéspontjának megakadályozása érdekében a mozgási pálya mentén el kell különíteni őket a térben úgy, hogy az eszköz áthaladási ideje τ' kisebb legyen, mint a következő fotonok telepítéséhez érkezését elválasztó t idő. , azaz τ' 1,8ּ10 –8 s.

Az elektronokkal végzett kísérletekben a diffrakciós rendszeren egymás után áthaladó két részecske közötti átlagos időtartam körülbelül 3-10-4-szer hosszabb volt, mint az az idő, amelyet egy elektron a teljes eszközön áthalad. Pontos részecskék esetében ez az összefüggés meggyőző.

A fénnyel szerzett tapasztalatok lényegesen eltérnek az elektronok tapasztalatától. Míg az elektronok egyedisége az energiájuk enyhe torzításával szabályozható, a fotonokkal ez lehetetlen. A fotonokkal végzett kísérletekben nem lehet teljes az a meggyőződés, hogy a fotonok a térben elszigeteltek; Statisztikailag lehetséges, hogy két foton szinte egyszerre érkezik. Ez gyenge interferenciamintát eredményezhet hosszú megfigyelési idő alatt.

Janoschi kísérleteinek eredményei vitathatatlanok, azonban a tapasztalatelméletről nem vonható le ilyen következtetés. Az elmélet valójában azt feltételezi, hogy az interferencia-mintázat kizárólag a képernyő felületén lévő részecskék egymás közötti kölcsönhatásának eredményeként jön létre. Erős fényáramok és sok részecske jelenléte esetén intuitív módon ez a legvalószínűbb oka az interferencia megjelenésének, de gyenge fényáramoknál a képernyő megvilágításában megjelenő periodicitás másik oka is jelentőssé válhat. A fény irányt változtat, ha kölcsönhatásba lép szilárd testtel. A rés szélei, a diffrakciós rács vonalai és egyéb diffrakciót okozó akadályok nem csak a felületkezelés tisztaságát tekintve – messze nem ideális felület. A felületi réteg atomjai egy periodikus szerkezet, amelynek periódusa összemérhető az atom méretével, azaz a periodicitás angstrom-rendű. A fotonon belüli fotópárok távolsága L 0 ≈ 10–12 cm, ami 4 nagyságrenddel kisebb. A fotópárok visszaverődése a felület periodikus szerkezetéről a képernyő megvilágított és nem megvilágított területeinek megismételhetőségét kell, hogy okozza.

Bármilyen felületről visszaverődő visszavert fény terjedési irányaiban mindig egyenlőtlenségnek kell lennie, de erős fényáramoknál csak az átlagos jellemzők jelentősek, és ez a hatás nem jelentkezik. Gyenge fényáram esetén ez interferenciához hasonló képernyő-megvilágítást eredményezhet.

Mivel az elektron méretei is jóval kisebbek, mint a test felületének periodikus szerkezetének méretei, ezért az elektronok esetében is egyenlőtlen irányú diffrakciós részecskék keletkezhetnek, és gyenge elektronáramlás esetén ez lehet az egyetlen oka a test felületének periodikus szerkezetének. hullám tulajdonságai.

Így a hullámtulajdonságok jelenléte a részecskékben, legyenek azok fotonok vagy elektronok, a diffrakciós eszköz visszaverő vagy törő felületének hullámtulajdonságaival magyarázható.

Ennek a hipotézisnek az esetleges kísérleti megerősítésére (vagy cáfolatára) bizonyos hatások előre jelezhetők.

1. hatás

Erős fényáramoknál a fény interferencia tulajdonságainak fő oka magának a fénynek a periodikus szerkezete, egy kiterjesztett foton. A különböző fotonokból származó fotópárok vagy felerősítik egymást a képernyőn, amikor a fázis egybeesik (vektorok r a kölcsönhatásban lévő párok képeinek középpontjai egybeesnek, vagy fáziseltérés esetén gyengülnek (vektorok) r a fotók közepe közötti irány nem esik egybe). Ez utóbbi esetben a különböző fotonokból származó fotópárok nem okoznak együttes egyidejű cselekvést, hanem a képernyő azon helyeire esnek, ahol a megvilágítás csökkenése figyelhető meg.

Ha a képernyő átlátszó lemez, akkor a következő hatás figyelhető meg: a visszavert fény minimuma megfelel az áteresztett fény maximumának. Azokon a helyeken, ahol a visszavert fényben minimális a megvilágítás, bejut a fény is, de ezeken a helyeken nem verődik vissza, hanem átmegy a lemezbe.

A lemezen visszavert és áteresztett fény kölcsönös komplementaritása az interferencia jelenségében jól ismert tény, amelyet elméletileg a fény hullámmodelljének jól kidolgozott formális matematikai apparátusa ír le. Különösen a reflexió során vezeti be az elmélet a félhullám elvesztését, és ez „megmagyarázza” az átvitt és visszavert komponensek fáziskülönbségét.

A mi modellünkben újdonság a jelenség fizikai természetének magyarázata. Azzal érvelünk, hogy gyenge fényáramoknál, ha a fotonok kölcsönhatása a diffrakciós eszközön belül kizárt, az interferenciamintázat kialakulásának jelentős oka nem magának a fénynek a periodikus szerkezete, hanem a fény felületének periodikus szerkezete lesz. diffrakciót okozó eszköz. Ebben az esetben a képernyő felületén már nem lesz kölcsönhatás a különböző fotonokból származó fotópárok között, és az interferencia abban nyilvánul meg, hogy azokon a helyeken, ahol a fény ér, maximális megvilágítás lesz, máshol nem lesz fény. A minimális megvilágítású helyeken a fény egyáltalán nem ér el, és ez ellenőrizhető a visszavert és áteresztett fény interferenciamintázatának kölcsönös komplementaritása hiánya.

2. hatás

Egy másik lehetőség a kérdéses előrejelzés és általában a hipotézisünk tesztelésére az gyenge fényáramokhoz más anyagból készült diffrakciós eszköz, amelyet az atomok eltérő felületi sűrűsége jellemez, eltérő interferenciamintát kell adnia ugyanannak a fényáramnak. Ez az előrejelzés is alapvetően tesztelhető.

3. hatás

A visszaverő test felületének atomjai részt vesznek a hőmozgásban, a kristályrács csomópontjai pedig harmonikus rezgéseket hajtanak végre. A kristály hőmérsékletének emelkedése gyenge fényáram esetén az interferenciamintázat elmosódásához kell, hogy vezessen, mivel ebben az esetben az interferencia csak a visszaverő felület periodikus szerkezetétől függ. Erős fényáramok esetén a diffrakciós eszköz hőmérsékletének az interferenciamintára gyengébbnek kell lennie, bár ez nem kizárt, mivel a kristályrács csomópontjainak hőrezgései megsérthetik a különböző fotonokról visszavert fotópárok koherenciájának feltételét. . Ez az előrejelzés is alapvetően tesztelhető.

A fény korpuszkuláris tulajdonságai

Publikációinkban a „foton szerkezeti modellje” kifejezést javasoltuk. Az idézőjelbe tett szókombinációt ma elemezve rendkívül sikertelennek kell tekinteni. A tény az, hogy modellünkben a foton nem lokalizált részecskeként létezik. A sugárzó energia kvantumát, amelyet a modern elméletben fotonnal azonosítanak, modellünkben a vákuum gerjesztésének halmaza, amelyet fotonpároknak nevezünk. A gerjesztések a térben a mozgás iránya mentén oszlanak el. Annak ellenére, hogy a mikrovilág méretaránya óriási, a kis időintervallum miatt, amely alatt egy ilyen párhalmaz elrepül vagy ütközik bármilyen mikroobjektumnak, valamint a mikrovilág objektumainak relatív tehetetlensége miatt, a kvantumok kibontakozhatnak. ezek a mikroobjektumok teljesen elnyelik. A kvantumfoton csak a mikroobjektumokkal való ilyen kölcsönhatás során észlelhető külön részecskeként, amikor a mikroobjektum és az egyes fotópárok kölcsönhatásának hatása felhalmozódhat, például egy elektronhéj gerjesztése formájában. atom vagy molekula. A fény az ilyen kölcsönhatás során korpuszkuláris tulajdonságokat mutat, amikor jelentős, modellben megvalósított, elméletileg figyelembe vett tényező egy bizonyos diszkrét mennyiségű fényenergia kibocsátása vagy elnyelése.

Még az energiakvantumok formális elképzelése is lehetővé tette Planck számára, hogy elmagyarázza a fekete test sugárzásának jellemzőit, és Einstein megértse a fotoelektromos hatás lényegét. A diszkrét energiarészek ötlete segített új módon leírni az olyan fizikai jelenségeket, mint a fénynyomás, a fényvisszaverődés, a diszperzió – amit a hullámmodell nyelvén már leírtak. A diszkrét energia, és nem a pontrészecskék-fotonok ötlete az, ami igazán lényeges a fény modern korpuszkuláris modelljében. Az energiakvantum diszkrétsége lehetővé teszi az atomok és molekulák spektrumának megmagyarázását, de a kvantumenergia lokalizációja egy izolált részecskében ellentmond annak a kísérleti ténynek, hogy az energiakvantum atom általi kibocsátásának és abszorpciójának ideje. elég nagy a mikrovilág léptékében - körülbelül 10-8 s. Ha a kvantum egy lokalizált pontrészecske, akkor mi történik ezzel a részecskével 10-8 másodperc alatt? A kiterjesztett kvantumfoton bevezetése a fény fizikai modelljébe nemcsak a sugárzási és abszorpciós folyamatok, hanem általában a sugárzás korpuszkuláris tulajdonságainak minőségi megértését is lehetővé teszi.

Fényképek mennyiségi paraméterei

Modellünkben a fő szempont egy fotópár. A foton méretéhez képest (a látható fény hosszirányú méretei méterek) a vákuum gerjesztése egy fotópár formájában pontszerűnek tekinthető (hosszirányban kb. 10-14 m). Számszerűsítsünk néhány fotóparamétert. Ismeretes, hogy egy elektron és egy pozitron megsemmisülése γ-kvantumokat eredményez. Születjen két γ-kvantum. Becsüljük meg mennyiségi paramétereik felső határát, feltételezve, hogy az elektron és a pozitron energiája egyenlő ezen részecskék nyugalmi energiájával:

. (1)

A megjelent fotópárok száma:

. (2)

Az összes (–) fotó teljes töltése egyenlő –e, ahol e az elektron töltése. Az összes (+) fénykép teljes díja +e. Számítsuk ki egy fénykép töltési modulusát:

Cl. (3)

Körülbelül a mozgó töltések dinamikus kölcsönhatásának figyelembevétele nélkül feltételezhetjük, hogy elektrosztatikus kölcsönhatásuk ereje egy forgó fotópár centripetális erejeként hat. Mivel a forgó töltések lineáris sebessége egyenlő C-vel, így kapjuk (SI rendszerben):

, (4)

ahol m 0 / 2 = h E / C 2 – egy fénykép tömege. A (4)-ből megkapjuk a fototöltésközpontok forgási sugarának kifejezését:

m. (5)

Ha egy foton „elektromos” keresztmetszetét egy R El sugarú S kör területének tekintjük, a következőt kapjuk:

A munka képletet ad a fotonkeresztmetszet kiszámításához a QED keretein belül:

, (7)

ahol σ cm 2 -ben van mérve. Feltételezve, hogy ω = 2πν és ν = n (a méret figyelembe vétele nélkül), a QED módszerrel becslést kapunk a keresztmetszetről:

. (8)

A fotonkeresztmetszetre vonatkozó becslésünkhöz képest a különbség 6 nagyságrend, azaz megközelítőleg 9%. Megjegyzendő, hogy a ~10-65 cm 2 fotonkeresztmetszetre vonatkozó eredményünket az álló részecskék annihilációjának felső becsléseként kaptuk, és egy valódi elektronnak és pozitronnak van mozgási energiája. A kinetikus energiát figyelembe véve a keresztmetszetnek kisebbnek kell lennie, mivel az (1) képletben nagyobb lesz a sugárzássá alakított részecske energia, és ebből adódóan a fotonpárok száma is nagyobb lesz. Egy fotó töltésének számított értéke kisebb lesz (3. képlet), ezért kisebb lesz az R El (5. képlet) és az S keresztmetszete (6. képlet). Ezt figyelembe véve fel kell ismernünk, hogy a fotonkeresztmetszetre vonatkozó becslésünk megközelítőleg egybeesik a QED becsléssel.

Vegye figyelembe, hogy a fotó fajlagos töltése egybeesik egy elektron (pozitron) fajlagos töltésével:

. (9)

Ha egy fénynek (mint az elektronnak) van egy hipotetikus „magja”, amelyben a töltése koncentrálódik, és egy „bevonata” megzavart fizikai vákuummal, akkor egy fénypár „elektromos” keresztmetszete nem eshet egybe a „mechanikai” keresztmetszettel. " keresztmetszet. Hagyja, hogy a fotonok tömegközéppontjai egy R Mech sugarú kör mentén forogjanak C sebességgel. Mivel C = ωR Mech, kapjuk:

. (10)

Így annak a körnek a hossza, amely mentén a fényképek tömegközéppontjai forognak, megegyezik a hullámhosszal, ami teljesen természetes, tekintve a transzlációs és forgási sebességek egyenlőségét a „hullámhossz” fogalmának mi értelmezésében. De ebben az esetben kiderül, hogy a fent tárgyalt annihiláció eredményeként kapott fotonokra R Mech ≈ 3,8∙10 –13 m ≈ 10 22 ∙R El. A fotómagokat körülvevő, zavart vákuum szőrme magához képest gigantikus méretű.

Természetesen ezek mind meglehetősen durva becslések. Egy új modell sem versenyezhet pontosságban egy már hajnalba érkezett modellel. Például, amikor Kopernikusz heliocentrikus modellje megjelent, körülbelül 70 éven keresztül gyakorlati csillagászati ​​számításokat végeztek Ptolemaiosz geocentrikus modelljének megfelelően, mert ez pontosabb eredményre vezetett.

A modellek alapvetően új alapokon történő bevezetése a tudományba nemcsak ütközés a szubjektív ellentéttel, hanem a számítások és előrejelzések pontosságának objektív elvesztése is. Paradox eredmények is lehetségesek. A fotók elektromos és mechanikai forgási sugarai között kialakuló ~10 22-es nagyságrendek aránya nemcsak váratlan, hanem fizikailag is felfoghatatlan. Az eredő összefüggést csak úgy lehet valahogy megérteni, ha feltételezzük, hogy egy fotópár forgása örvény jellegű, mivel ebben az esetben, ha a forgásközépponttól különböző távolságra lévő komponensek lineáris sebessége egyenlő, akkor a szögsebességeik másnak kell lennie.

Intuitív módon a térfogati szerkezet vékony közegből – fizikai vákuumból – való forgásának örvényes jellege még érthetőbb, mint a szilárd test forgására emlékeztető fotópár forgatásának gondolata. Az örvénymozgás elemzésének ezt követően a vizsgált folyamat új minőségi megértéséhez kell vezetnie.

Eredmények és következtetések

A munka tovább fejleszti a fény fizikai természetével kapcsolatos elképzeléseket. Elemezzük a hullám-részecske kettősség fizikai természetét. A gyenge fényáramok interferenciájára és diffrakciójára vonatkozó kísérletekben alapvetően ellenőrizhető hatásokat jósoltak meg. A fotók mechanikai és elektromos paramétereinek mennyiségi számításait elvégeztem. Kiszámoljuk egy fotonpár keresztmetszetét, és következtetést vonunk le a pár örvényszerkezetére vonatkozóan.

Irodalom

1. Moiseev B.M. Foton szerkezet. – Dep. a VINITI-ben 98.12.02, 445 – B98 sz.

2. Moiseev B.M. Tömeg és energia a foton szerkezeti modelljében. – Dep. a VINITI-ben 98/01/04, 964 – B98.

3. Moiseev B.M. A mozgás állapotában lévő test összenergiájáról és tömegéről. – Dep. a VINITI-ben 98.05.12., 1436 – B98 sz.

4. Moiseev B.M. Foton gravitációs térben. – Dep. in VINITI 10.27.99, No. 3171 – B99.

5. Moiseev B.M. A fotonszerkezet modellezése. – Kostroma: a KSU kiadója névadója. ON A. Nekrasova, 2001.

5. Moiseev B.M. Foton mikrostruktúra // Proceedings of the Congress-2002 “A természettudomány és technológia alapvető problémái”, III. rész, 229–251. – Szentpétervár, Szentpétervári Állami Egyetemi Kiadó, 2003.

7. Fiz. Fordulat. Lett. 90 081 801 (2003). http://prl.aps.org

8. Sivukhin D.V. Atom- és magfizika. 2 részben 1. rész Atomfizika. – M.: Nauka, 1986.

9. Fizikai enciklopédikus szótár. 5 kötetben - M.: Szovjet Enciklopédia, 1960–66.

10. Fizika. Nagy enciklopédikus szótár. – M.: Nagy Orosz Enciklopédia, 1999.

11. Kudrjavcev P.S. Fizikatörténeti kurzus. – M.: Nevelés, 1974.

12. Akhiezer A.I. Kvantumelektrodinamika / A.I. Akhiezer, V.V. Beresztetszkij - M.: Nauka, 1981.