Корпускулярная и волновая природа света корпускулярно волновой дуализм

Корпускулярно-волновой дуализм

Корпускулярно-волновой дуализм (слово дуализм означает двойственность) — это физический принцип, утверждающий, что любой объект природы может вести себя и как частица, и как волна.

С первым проявлением этого принципа мы столкнулись в предыдущем листке, когда говорили о двойственной, корпускулярно-волновой природе света. В явлениях интерференции и дифракции свет демонстрирует свою волновую природу. В явлении фотоэффекта свет выступает как дискретный поток частиц — фотонов.

Является ли свет каким-то особым объектом нашего мира, таким, что подобный дуализм присущ только ему? Или, быть может, корпускулярно-волновой дуализм — это свойство вообще всех материальных объектов, просто впервые обнаружен он был для света?

Гипотеза де Бройля

Идея об универсальной двойственности корпускулярных и волновых свойств всех объектов природы была впервые высказана Луи де Бройлем (в 1924году) в качестве гипотезы о волновых свойствах частиц.

Итак, мы знаем, что свету с частотой и длиной волны соответствуют частицы — фотоны, обладающие энергией и импульсом . Де Бройль, в сущности, постулировал обратное.

Гипотеза де Бройля. Движению каждой частицы соответствует распространение некоторой волны. Частота и длина этой волны определяются энергией и импульсом частицы:

Точно так же, любой волне с частотой и длиной волны отвечают частицы с энергией и импульсом .

Чтобы лучше осмыслить гипотезу де Бройля, давайте обсудим дуализм «волна–частица» на примере электромагнитного излучения.

В случае электромагнитных волн мы имеем следующую закономерность. По мере увеличения длины волны всё легче наблюдать волновые свойства излучения и всё труднее — корпускулярные. И наоборот, чем меньше длина волны, тем ярче выражены корпускулярные свойства излучения и тем труднее наблюдать его волновые свойства. Изменение соотношения корпускулярных и волновых свойств хорошо прослеживается при движении по известной вам шкале электромагнитных волн.

Радиоволны.Длины волн здесь настолько велики, что корпускулярные свойства излучения практически не проявляются. Волновые свойства в этом диапазоне абсолютно доминируют.

Длины волн могут составлять несколько метров или даже километров, так что волновая природа проявляется «сама собой» — радиоволны в процессе дифракции запросто огибают дома или горы. Излучение радиоволн и их взаимодействие с материальными объектами отлично описывается в рамках классической электродинамики.

Видимый свет и ультрафиолет. Это своего рода «переходная область»: в оптике мы можем наблюдать как волновые свойства света, так и корпускулярные.

Однако в обоих случаях надо постараться. Так, длины волн видимого света много меньше размеров окружающих нас тел, поэтому в опытах по интерференции или дифракции света нужно создавать специальные условия (малость щелей или отверстий, удалённость экрана). В свою очередь, термин «красная граница фотоэффекта» также подчёркивает пограничность данного диапазона: фотоэффект начинается лишь при переходе через красную границу.

Рентгеновское и гамма-излучение. Длины волн очень малы, и наблюдать волновые свойства излучения весьма затруднительно. Так, верхняя граница длин волн рентгеновского излучения составляет нм; это лишь на два порядка превышает размер атома. Ясно, что дифракцию на «обычных» препятствиях при такой длине волны наблюдать невозможно.

Однако в рентгеновский диапазон входят длины волн порядка размера атома и межатомных расстояний в кристалле ( нм). Поэтому дифракция рентгеновских лучей наблюдается на «естественных» дифракционных решётках — кристаллических решётках твёрдых тел (эта идея была высказана немецким физиком Лауэ в 1912 году).

Энергия квантов в рентгеновском и гамма-диапазоне настолько велика, что излучение ведёт себя почти стопроцентно как поток частиц.

Рассуждая по аналогии с электромагнитными волнами, можно заключить, что и частица будет проявлять волновые свойства тем лучше, чем больше её длина волны де Бройля (в масштабах данной ситуации).

Так, мы совсем не наблюдаем волновых свойств у окружающих нас тел. (Видели вы, например, интерференцию движущихся автомобилей?) А почему? Давайте посчитаем длину дебройлевской волны объекта массой кг, движущегося со скоростью м/с:

Это на порядков меньше размера атома. Воображение отказывается представить себе столь малую величину. Разумеется, никакого волнового поведения у нашего объекта при таких условиях не обнаруживается — он стопроцентно ведёт себя как «частица», то есть как материальная точка классической механики.

Дифракция электронов

Совсем другое дело — электрон. Масса электрона равна кг, и столь малое значение массы (а стало быть, и импульса в формуле ) может дать длину волны де Бройля, достаточную для экспериментального обнаружения волновых свойств.

И вот оказывается, что электроны с энергией эВ (при такой энергии становится несущественным хаотическое тепловое движение электронов, и электронный пучок можно считать когерентным) имеют дебройлевскую длину волны примерно нм — это как раз порядка размера атома и расстояний между атомами в кристаллической решётке! Опыт по наблюдению дифракции рентгеновских лучей на кристаллических структурах уже имелся, поэтому оставалось направить на кристаллическую решётку пучок электронов.

Впервые это было сделано в знаменитом эксперименте американских физиков Дэвиссона и Джермера (1927 год). Дифракция электронов на кристаллах была обнаружена! Как и ожидалось, полученная дифракционная картина имела тот же характер, что и при дифракции на кристаллической решётке рентгеновских лучей.

Впоследствии волновые свойства были обнаружены и у более крупных частиц: протонов, нейтронов, атомов и молекул. Гипотеза де Бройля, таким образом, получила надёжное опытное подтверждение.

Соотношение неопределённостей

Обнаружение корпускулярных свойств электромагнитных волн и волновых свойств частиц показало, что объекты микромира подчиняются необычным законам. Эти законы совершенно непривычны для нас, привыкших наблюдать за макроскопическими телами.

Наше сознание выработало некоторые образы частицы и волны, вполне пригодные для описания объектов классической физики. Частица — это маленький, локализованный в пространстве сгусток вещества. Волна — это распределённый (не локализованный) в пространстве колебательный процесс. Как же эти понятия могут совмещаться в одном объекте (например, в электроне)?

Вообразить такое действительно получается с трудом. Но что поделать — это факт. Природа оказывается намного богаче нашего воображения. В своей повседневной жизни мы находимся очень далеко от микромира, и в привычном нам диапазоне макроскопических тел природа демонстрирует свои «крайние» проявления — в виде «только частиц» или «только волн». Вот почему корпускулярные и волновые свойства представляются нам несовместимыми друг с другом. Но на самом деле это не так: в микромире оказывается, что один и тот же объект (например, электрон) легко может обладать обоими свойствами одновременно — словно человек, обладающий разными, несовместимыми на первый взгляд чертами характера.

Читайте:  Сказки Мамина Сибиряка Дмитрия Наркисовича

Так, будучи частицей, электрон локализован в пространстве; но, будучи волной, локализован не в точке, а «размазан» по некоторой области. Координаты и скорость электрона не могут быть измерены одновременно сколь угодно точно. Неопределённость координаты и неопределённость соответствующей проекции импульса оказываются связанными соотношением неопределённостей Гейзенберга:

Соотношение неопределённостей (2) имеет фундаментальный характер — оно применимо к любым объектам природы. Чем точнее мы знаем координаты объекта (то есть чем в меньшей пространственной области он локализован), тем больше получается разброс значений его импульса(то есть тем с большей скоростью объект «готов вылететь» из этой области). И наоборот, чем точнее мы знаем импульс объекта, тем меньше у нас информации о том, где этот объект находится.

Но коль скоро нет возможности одновременно точно измерить координаты и скорость, то теряет смысл понятие траектории движения объекта. Механика Ньютона перестаёт работать в микромире и уступает место квантовой механике.

Источник



Корпускулярно-волновой дуализм

Свет всегда оставался самой загадочной областью изучения физики. Около четырехсот лет ученые спорили, что же он собой представляет. В одних случаях он ведет себя как частица, в других — как волна. Необходим был новый подход, чтобы как-то объяснить создавшееся положение.

Первым, кто предположил, что свет — это частица, был гениальный английский ученый Исаак Ньютон. Он создал стройную для своего времени теорию света на корпускулах. Вместе с тем оставались загадочные на тот момент явления, такие как дифракция и интерференция, которые явно не в вписывались в корпускулярную теорию. Тогда англичанин Роберт Гук и нидерландский ученый Христиан Гюйгенс предположили, что свет — это все-таки волна. Но авторитет Ньютона был настолько силен, что весь научный мир продолжал считать свет частицами.

Опыт Юнга

Споры продолжались до начала XIX века, когда Томас Юнг поставил свой знаменитый опыт: свет проходит через две щели и падает на экран, где появляются темные и светлые интерференционные полосы. Это можно объяснить тем, что в некоторых местах световые волны взаимно усиливаются, а в других — гасятся. Напрашивался однозначный вывод: свет—это все-таки электромагнитная волна! Волновая теория электромагнитного излучения нашла свое теоретическое описание в работах Джеймса Максвелла. Использование представления о свете как волне позволяет объяснить явления, связанные с интерференцией и дифракцией, в том числе структуру светового поля, а именно объяснить построение изображений и метод голографии.

Прошло еще почти сто лет, и Макс Планк, чтобы решить проблему ультрафиолетовой катастрофы, ввел понятие фотона. Научный мир снова обратился к проблеме света, и вот тут опять возник вопрос. Что же он такое: частица или все же волна? И как все это описать? Свет в одних случаях ведет себя как поток частиц, в других — обладает волновыми свойствами. То есть обладает корпускулярно-волновым дуализмом.

Частицы как волны

Свет — это волна. Но свет также считали состоящим из частиц, или «корпускулов». Не так давно материя, точнее, атомы, была сведена к набору более мелких частиц. Но оставался вопрос: не могут ли и они вести себя как волны?

Именно об этом размышлял Луи Де Бройль в 1923 году. Он предполагал, что корпускулярно-волновой дуализм характерен не только для видимого света, но также для других форм излучаемой энергии. Например, это явление можно было попытаться применить к имеющим массу частицам – электрону или протону.

Де Бройль стал рассматривать каждую частицу как некий цуг волн, впоследствии названный «волновым пакетом». Конечно, такие волновые формы не распространяются, как видимый свет, но имеют с ним много общего. Так, скорость частицы оказалась обратно пропорциональна длине волны ее волновой формы — более быстрые частицы имеют более короткую длину волны. Кинетическая энергия частицы получалась пропорциональной частоте ее волновой формы.

Электромагнитный спектр

Для доказательства Де Бройль использовал чистую математику. В 1927 году Джордж Томсон — сын «Джи Джи» (дружеское прозвище Джозефа Джона Томсона), открывшего за 28 лет до этого существование электрона — сумел найти материальные свидетельства правоты Луи де Бройля. Томсон повторил опыт Юнга, который доказывал волновую природу света, но работал с пучком электронов. Он направил поток электронов на экран с двумя щелями, а детектор расположил за ним. Прибор отмечал каждый пролетающий электрон черной точкой. Если бы электроны не имели волновых свойств, они дали бы на экране две группы точек за каждой из щелей. Но Томсон обнаружил, что точки образовали те самые темные полоски интерференционной картины – как и волны. Так Томсон выяснил, что его отец открыл не только субатомную частицу, но и волну.

Эффект Штарка

Йоханнес Штарк

В 1913 году Йоханнес Штарк обнаружил, что внешние электрические поля вызывают «расщепление» линий эмиссионного спектра, когда на месте одной линии возникает их несколько. Это связано с тем, что электромагнитные поля способны изменять волновые формы электронов поля. Эффект, или расщепление, Штарка стали использовать для исследования свойств электронов.

Наиболее ярко корпускулярно-волновой дуализм проявляется у элементарных частиц. Электрон, нейтрон, фотон в одних условиях ведут себя как локализованные в пространстве материальные объекты—частицы, обладающие определенными энергиями и импульсами, а в других — как волны, что проявляется в их способности к интерференции и дифракции.

Читайте:  Природа мой дом картинки рисунки

И ни то, и ни другое

Явления интерференции и дифракции света убедительно свидетельствуют о волновой природе света. Закономерности теплового излучения, фотоэффекта можно успешно объяснить с классической точки зрения только на основе представлений о свете как о потоке отдельных фотонов. Однако волновой и корпускулярный способы описания света не противоречат, а взаимно дополняют друг друга, так как свет одновременно обладает и волновыми, и корпускулярными свойствами.

Волновые свойства света играют определяющую роль в закономерностях его интерференции, дифракции, поляризации, а корпускулярные — в процессах взаимодействия света с веществом.

Сейчас концепция корпускулярно-волнового дуализма представляет лишь исторический интерес, так как, во-первых, некорректно сравнивать и противопоставлять материальный объект, например электромагнитное излучение, и способ его описания — корпускулярный или волновой; и, во-вторых, число способов описания материального объекта может быть больше двух—корпускулярный, волновой, термодинамический и так далее, так что сам термин «дуализм» становится по сути неверным. На момент своего возникновения концепция корпускулярно-волнового дуализма служила способом описания поведения квантовых объектов путем подбора аналогий из классической физики. На самом же деле квантовые объекты не являются ни классическими волнами, ни классическими частицами, приобретая свойства первых или вторых лишь в некотором приближении.

И тем не менее именно споры о теории света и привели в конце концов к созданию квантовой физики, о которой и пойдет речь дальше.

Источник

Корпускулярно-волновой дуализм на пальцах

Мне часто приходят вопросы с просьбами объяснить природу корпускулярно-волнового дуализма. Как так получается, что свет может одновременно проявлять свойства и частиц, и волны? Как вообще это возможно и в чём это выражается? Сегодня мы будем разбираться в этих вопросах вместе.

Мы постоянно видим вокруг нас, как вещи ведут себя как частицы. К примеру если подбросить мяч вверх он будет лететь по строго определённой траектории и упадёт на землю в одном чётко определённом месте.

Точно так же мы видим и волновое поведение. К примеру когда играет музыка или мы что-то говорим — звуковые колебания распространяются в воздухе и их слышат люди в разных местах.

Или когда например если бросить камень в воду — волны созданные падением камня будут распространятся во всех направлениях и достигнут берега во многих местах сразу.

В физике очень малых частиц мы наблюдаем, как частицы, такие как например фотоны, электроны, протоны и т.д. Проявляют одновременно свойства и частицы и волны. К примеру если мы в комнате выпустим одиночный электрон он будет распространяться как волна, но когда он достигнет стены, он ударится о стену только в одном месте.

На примере более привычных нам волн это можно представить следующим образом: если бы вы крикнули, то звуковые волны от вас распространялись бы во всех направлениях, но только один человек услышал бы вас. Или например волны от брошенного камня точно так же распространялись бы во все стороны, но ударялись бы о берег только в одном месте.

Однако вернёмся к элементарным частицам. Как можно всё-таки изобразить корпускулярно-волновой дуализм, например, электрона Проще всего это сделать, представив электрон, как пылинку внутри капли воды.Когда капля ударится о поверхность она растечётся по ней как волна и пылинка может оказаться где угодно внутри этой волны.

Пылинка (наш электрон) направляется движением волны, и если мы зададимся целью найти где именно она находится, мы найдём её строго в одном месте.

Также волна определяет насколько вероятно найти пылинку в каждой конкретной точке.Так например если капля разделится на две неравные части, то с большей вероятностью пылинка окажется в той части капли, которая больше.

В квантовой механике корпускулярно-волновой дуализм работает примерно также. Каждая частица определяется волной, которую описывает волновая функция. Волновая функция — это особая математическая функция, квадрат которй описывает вероятность нахождения частицы (нашего электрона) в каком-то определенном месте.

Источник

Корпускулярная и волновая природа света корпускулярно волновой дуализм

Корпускулярно-волновой дуализм (слово дуализм означает двойственность) — это физический принцип, утверждающий, что любой объект природы может вести себя и как частица, и как волна.

С первым проявлением этого принципа мы столкнулись в предыдущем листке, когда говорили о двойственной, корпускулярно-волновой природе света. В явлениях интерференции и дифракции свет демонстрирует свою волновую природу. В явлении фотоэффекта свет выступает как дискретный поток частиц — фотонов.

Является ли свет каким-то особым объектом нашего мира, таким, что подобный дуализм присущ только ему? Или, быть может, корпускулярно-волновой дуализм — это свойство вообще всех материальных объектов, просто впервые обнаружен он был для света?

Гипотеза де Бройля

Идея об универсальной двойственности корпускулярных и волновых свойств всех объектов природы была впервые высказана Луи де Бройлем (в 1924году) в качестве гипотезы о волновых свойствах частиц.

Итак, мы знаем, что свету с частотой и длиной волны соответствуют частицы — фотоны, обладающие энергией и импульсом . Де Бройль, в сущности, постулировал обратное.

Гипотеза де Бройля. Движению каждой частицы соответствует распространение некоторой волны. Частота и длина этой волны определяются энергией и импульсом частицы:

Точно так же, любой волне с частотой и длиной волны отвечают частицы с энергией и импульсом .

Чтобы лучше осмыслить гипотезу де Бройля, давайте обсудим дуализм «волна–частица» на примере электромагнитного излучения.

В случае электромагнитных волн мы имеем следующую закономерность. По мере увеличения длины волны всё легче наблюдать волновые свойства излучения и всё труднее — корпускулярные. И наоборот, чем меньше длина волны, тем ярче выражены корпускулярные свойства излучения и тем труднее наблюдать его волновые свойства. Изменение соотношения корпускулярных и волновых свойств хорошо прослеживается при движении по известной вам шкале электромагнитных волн.

Читайте:  Географическое положение Норвегии

Радиоволны.Длины волн здесь настолько велики, что корпускулярные свойства излучения практически не проявляются. Волновые свойства в этом диапазоне абсолютно доминируют.

Длины волн могут составлять несколько метров или даже километров, так что волновая природа проявляется «сама собой» — радиоволны в процессе дифракции запросто огибают дома или горы. Излучение радиоволн и их взаимодействие с материальными объектами отлично описывается в рамках классической электродинамики.

Видимый свет и ультрафиолет. Это своего рода «переходная область»: в оптике мы можем наблюдать как волновые свойства света, так и корпускулярные.

Однако в обоих случаях надо постараться. Так, длины волн видимого света много меньше размеров окружающих нас тел, поэтому в опытах по интерференции или дифракции света нужно создавать специальные условия (малость щелей или отверстий, удалённость экрана). В свою очередь, термин «красная граница фотоэффекта» также подчёркивает пограничность данного диапазона: фотоэффект начинается лишь при переходе через красную границу.

Рентгеновское и гамма-излучение. Длины волн очень малы, и наблюдать волновые свойства излучения весьма затруднительно. Так, верхняя граница длин волн рентгеновского излучения составляет нм; это лишь на два порядка превышает размер атома. Ясно, что дифракцию на «обычных» препятствиях при такой длине волны наблюдать невозможно.

Однако в рентгеновский диапазон входят длины волн порядка размера атома и межатомных расстояний в кристалле ( нм). Поэтому дифракция рентгеновских лучей наблюдается на «естественных» дифракционных решётках — кристаллических решётках твёрдых тел (эта идея была высказана немецким физиком Лауэ в 1912 году).

Энергия квантов в рентгеновском и гамма-диапазоне настолько велика, что излучение ведёт себя почти стопроцентно как поток частиц.

Рассуждая по аналогии с электромагнитными волнами, можно заключить, что и частица будет проявлять волновые свойства тем лучше, чем больше её длина волны де Бройля (в масштабах данной ситуации).

Так, мы совсем не наблюдаем волновых свойств у окружающих нас тел. (Видели вы, например, интерференцию движущихся автомобилей?) А почему? Давайте посчитаем длину дебройлевской волны объекта массой кг, движущегося со скоростью м/с:

Это на порядков меньше размера атома. Воображение отказывается представить себе столь малую величину. Разумеется, никакого волнового поведения у нашего объекта при таких условиях не обнаруживается — он стопроцентно ведёт себя как «частица», то есть как материальная точка классической механики.

Дифракция электронов

Совсем другое дело — электрон. Масса электрона равна кг, и столь малое значение массы (а стало быть, и импульса в формуле ) может дать длину волны де Бройля, достаточную для экспериментального обнаружения волновых свойств.

И вот оказывается, что электроны с энергией эВ (при такой энергии становится несущественным хаотическое тепловое движение электронов, и электронный пучок можно считать когерентным) имеют дебройлевскую длину волны примерно нм — это как раз порядка размера атома и расстояний между атомами в кристаллической решётке! Опыт по наблюдению дифракции рентгеновских лучей на кристаллических структурах уже имелся, поэтому оставалось направить на кристаллическую решётку пучок электронов.

Впервые это было сделано в знаменитом эксперименте американских физиков Дэвиссона и Джермера (1927 год). Дифракция электронов на кристаллах была обнаружена! Как и ожидалось, полученная дифракционная картина имела тот же характер, что и при дифракции на кристаллической решётке рентгеновских лучей.

Впоследствии волновые свойства были обнаружены и у более крупных частиц: протонов, нейтронов, атомов и молекул. Гипотеза де Бройля, таким образом, получила надёжное опытное подтверждение.

Соотношение неопределённостей

Обнаружение корпускулярных свойств электромагнитных волн и волновых свойств частиц показало, что объекты микромира подчиняются необычным законам. Эти законы совершенно непривычны для нас, привыкших наблюдать за макроскопическими телами.

Наше сознание выработало некоторые образы частицы и волны, вполне пригодные для описания объектов классической физики. Частица — это маленький, локализованный в пространстве сгусток вещества. Волна — это распределённый (не локализованный) в пространстве колебательный процесс. Как же эти понятия могут совмещаться в одном объекте (например, в электроне)?

Вообразить такое действительно получается с трудом. Но что поделать — это факт. Природа оказывается намного богаче нашего воображения. В своей повседневной жизни мы находимся очень далеко от микромира, и в привычном нам диапазоне макроскопических тел природа демонстрирует свои «крайние» проявления — в виде «только частиц» или «только волн». Вот почему корпускулярные и волновые свойства представляются нам несовместимыми друг с другом. Но на самом деле это не так: в микромире оказывается, что один и тот же объект (например, электрон) легко может обладать обоими свойствами одновременно — словно человек, обладающий разными, несовместимыми на первый взгляд чертами характера.

Так, будучи частицей, электрон локализован в пространстве; но, будучи волной, локализован не в точке, а «размазан» по некоторой области. Координаты и скорость электрона не могут быть измерены одновременно сколь угодно точно. Неопределённость координаты и неопределённость соответствующей проекции импульса оказываются связанными соотношением неопределённостей Гейзенберга:

Соотношение неопределённостей (2) имеет фундаментальный характер — оно применимо к любым объектам природы. Чем точнее мы знаем координаты объекта (то есть чем в меньшей пространственной области он локализован), тем больше получается разброс значений его импульса(то есть тем с большей скоростью объект «готов вылететь» из этой области). И наоборот, чем точнее мы знаем импульс объекта, тем меньше у нас информации о том, где этот объект находится.

Но коль скоро нет возможности одновременно точно измерить координаты и скорость, то теряет смысл понятие траектории движения объекта. Механика Ньютона перестаёт работать в микромире и уступает место квантовой механике.

Источник