Учебная работа. Реферат: Волны, фотоны, кванты

Учебная работа. Реферат: Волны, фотоны, кванты

Ультрафиолетовая трагедия.

В конце прошедшего столетия у естествоиспытателей начало складываться воспоминание, что исследование базовых закономерностей, лежащих в базе научной картины мира, близко к окончанию. Это Мировоззрение основывалось на бесспорных успехах традиционного естествознания, “подправленного” релятивистской теорией. Учет крайней хотя и приводил к несколько нежданным результатам, но не затрагивал устоявшегося представления о том неважно какая реально существующая система быть может в принципе рассчитана с хоть какой точностью и ее развитие во времени быть может исчерпающим образом прогнозировано. Без всякого сомнения, представители четких наук конца 19 века были далеки от попыток высчитать технический нрав.

На рубеже 19 и 20 веков в физике был изготовлен ряд открытий, в итоге приведших к коренному пересмотру главных мировоззренческих принципов, лежащих в базе естествознания:

Открытие явления радиоактивности (перевоплощения атомов разных частей друг в друга) показало ошибочность представлений о атоме как о неразделимом “кирпичике” вещества. Более принципиальным для следующего развития науки был не столько сам факт обнаружения новейшего явления (наличие сложной структуры атома и его частей не противоречило принципным установкам традиционного естествознания), сколько появление в итоге схожих реакций “побочных товаров” — разных частиц с высочайшей энергией, которые удалось употреблять в качестве очень узкого инструмента для исследовательских работ микроструктуры вещества.

Опыты Резерфорда по рассеянию альфа — частиц в тонких пленках вещества (в фольге) проявили, что основная масса атома, вопреки модели Томсона, не “размазана” по его размеру, а сосредоточена в малогабаритном положительно заряженном теле — ядре. Для разъяснения еще огромных по сопоставлению с ядром размеров атомов (результаты оценок по плотности конденсированного вещества) пришлось представить, что их электроны “вынесены на периферию”. Простым разъяснением обстоятельств, удерживающих электрон от падения на положительное ядро, было предположение о их движении в рамках предложенной Резерфордом планетарной модели атома.

Последовательное описание в рамках традиционной теории действий взаимодействия света с веществом приводило к абсурдному выводу, противоречащему настоящим ненаблюдаемым эффектам, о неминуемом перетекании всей энергии от вещества к электромагнитному полю, который получил заглавие ультрафиолетовой катастрофы.. Этот итог появлялся как вследствие электродинамического рассмотрения уединенного атома Резерфорда (крутящийся вокруг ядра электрон, как хоть какой ускоренно передвигающийся заряд, должен источать энергию в виде электромагнитных волн, что обязано приводить к его падению на ядро через с опосля начала движения), так и в итоге термодинамического рассмотрения условия равновесия владеющего конечным числом степеней свободы вещества с излучением, число степеней свободы которого нескончаемо (принцип возрастания энтропии просит перетекания энергии из наиболее сосредоточенного ее состояния в веществе к наименее упорядоченное состояние, соответственное равновероятному распределению по собственному нескончаемому набору степеней свободы системы “вещество + электромагнитное поле”). Получение схожего неправильного результата в рамках 2-ух разных традиционных теорий принуждало усомниться в корректности основополагающих принципов, заложенных в из базе.

Опыты демонстрировали, что излучение слабо взаимодействующих друг с другом атомов (газоразрядная плазма) происходит только на определенных дискретных частотах. В простом случае атомов водорода наблюдаемые частоты подчинялись весьма обычной, но никак не объясняемой традиционной физикой эмпирической закономерности:

,

где M и N — любые целые числа.

Опыты по фотоэффекту (явлению выбивания светом электронов с поверхности проводника) указывали, что свет может вести себя подобно частичкам и пропорциональной частоте излучения энергией, количество которых пропорционально его интенсивности.

Теплоемкость “безупречного газа электронов” в проводящих кристаллах оказывалась исчезающе малой (при нагревании тел входящие в его состав электроны не всасывали энергии на повышение скоростей хаотического движения, оставаясь “вмороженными”).

Повторяющаяся зависимость хим параметров частей от зарядов ядер их атомов не могла быть удовлетворительно объяснена традиционной физикой.

Детерминированность базовых законов традиционной физики очевидно противоречила низкой предсказуемости поведения био объектов.

Т.о. на рубеже веков накопилось огромное количество на 1-ый взор разрозненных экспериментальных результатов, не укладывающихся в рамки представлений традиционной физики. Равномерно появилось осознание того, что причина кроется не в ошибочности отдельных теорий, а в неполноте основополагающих принципов традиционного естествознания.

Кванты.

1-ый шаг на пути к преодолению появившихся заморочек был изготовлен Максом Планком на базе детализированного анализа критерий термодинамического равновесия излучения и модельного вещества, представляющего из себя ансамбль традиционных атомов Томсона, имеющих различные резонансные частоты. Выбор обычной модели дозволил до конца провести все расчеты в аналитическом виде, что значительно облегчило анализ принципных ошибок традиционного описания. Планк установил, что неувязка ультрафиолетовой катастрофы быть может снята, если представить, что энергия совершающих гармонические колебания электронов может принимать не непрерывный, а дискретный набор значений (рис.19_1):

(2) ,

где — частота собственных колебаний квазиупругого электрона, n=0, 1, 2, 3, …- целое число (“номер энергетического уровня”), а константа пропорциональности получила заглавие неизменной Планка. При всем этом обмен энергией меж атомом Томсона и излучением оказывается вероятным только дискретными порциями — квантами, величина которых определяется разностью энергий уровней:

(3) .

Дискретный нрав обмена энергией атомов с полем “исключал из игры” большущее число степеней свободы крайнего и избавлял неминуемое перетекание к ним всей энергии вещества.

Приобретенное на базе догадки (2) выражение для распределения по частотам энергии термического сбалансированного излучения “диапазон излучения полностью темного тела” (рис. 19_2):

(4)

находится в красивым согласии с плодами измерений спектров, излучаемых нагретым плотным веществом (раскаленные твердые тела, поверхности звезд и т.д.). В истинное время формула (4) обширно употребляется для определения температур поверхностей самосветящихся разогретых тел.

Квантовая догадка Планка отлично согласуется с законами фотоэффекта.

Предложенная Планком модель с современной точки зрения владела обилием недочетов, так как употребляла огромное количество допущений, соответствующих для традиционной теории: электромагнитное поле в ней рассматривалось традиционно, на базе уравнений Максвелла; предполагалось, что распределение атомов по энергиям подчиняется традиционной статистике Больцмана; в конце концов сама формула (2) для энергия осциллятора потом оказалась неточной. Невзирая на этом фуррор догадки Планка был предопределен введением главного понятия — кванта, предстоящее развитие которого привело к созданию современной картины естествознания.

Фотоны.

Рассмотрение электромагнитного поля даже в рамках традиционной теории дозволяет приписать ему “классические” для частиц свойства: энергию и импульс. Квантованный нрав обмена энергией меж веществом и полем и открытые законы фотоэффекта делали очень соблазнительной идею рассмотрения поля как совокупы частиц фотонов, рождающихся и гибнущих при излучении и поглощении света соответственно. Так как скорость распространения электромагнитного поля в вакууме совпадает с предельным значением с, фотон является ультрарелятивистской частичкой с равной нулю массой покоя: в неприятном случае импульс фотона был бы нескончаемо огромным, и процедура загорания на пляже не доставляла бы нам ни мельчайшего наслаждения:

(5) .

Релятивистское соотношение меж энергией и импульсом

(6) ,

получающееся в итоге скалярного умножения четырехвектора энергии-импульса (12_9) на себя, приводит к последующему выражению, связывающему импульс фотона с его частотой:

(7) .

наличие импульса у фотона позволило роскошно и количественно верно обрисовать явление светового давления как обычное следствие закона сохранения импульса при поглощении света веществом.

Теория фотонов (корпускулярная модель) привела к огромным трудностям при интерпретации тестов по интерференции и дифракции, доказывающих волновую природу света.

Корпускулярно-волновой дуализм. Очень всераспространено Мировоззрение о том, что корпускулярные и волновые характеристики света не могут проявляться сразу: в опытах по интерференции свет ведет себя как волны, а при содействии с веществом — как частички. О таковой “взаимоисключающей двойственности” принято гласить как о корпускулярно — волновом дуализме.

Отношение к данной для нас дилемме очень зависит от того, какой смысл вкладывается в понятия “волна” и “частичка”. к примеру, если именовать волной хоть какой объект, описываемый гармонической функцией типа (16_3), а частичкой — соответственно объект, описываемый дельта-функцией, то всякий объект природы, допускающий описание с помощью математических функций может рассматриваться или как совокупа волн, или -частиц зависимо от желания. Так как кроме обозначенных существует огромное количество остальных ортогональных наборы функций, исходя из убеждений арифметики поочередный подход просит признания не двойственности, а нескончаемой множественности природы как микроскопичных, так и макроскопических объектов.

Обычная же для физике неувязка состоит в попытке разрешить проблему о том, идентично ли поверхности воды либо звуковых колебаний в воздухе. При всем этом вопросцы о том, почему свет должен быть схожим на обычные нам объекты макромира и почему обычные для нас законы поведения традиционных частиц и волн не требуют разъяснения не задаются.

Что все-таки касается способности опыта, в каком сразу проявлялись бы и волновые и корпускулярные характеристики света, то для его воплощения довольно в традиционном опыте Юнга уменьшить интенсивность источника света (к примеру, до уровня излучения 1-го фотона за минуту), а для регистрации интерференционной картины употреблять пластинку с фотоэмульсией (хим соединением, зерна которого разрушаются при действии света). При таковой постановке опыта видно, что любой фотон на пластинке оставляет зачерненную точку, другими словами подобно частичке локализован в пространстве. Но положение засвеченных точек на фотопластинке совсем не соответствует традиционным представлениям о поведении ньютоновских частиц: по мере скопления их количества на пластинке возникает соответствующая для традиционных волн интерференционная картина.

Принципное отличие в поведении фотонов от традиционных частиц заключается в том, что при наличии интерференции света (оба отверстия в промежном экране открыты) наблюдаемая на фотопластинке картина не является суммой картин, возникающих при последовательном открывании отверстий (рис. 19_3). Т.о. утверждение о том, что при наличии интерференции любой из фотонов пролетает или через отверстие |1>, или через отверстие |2> промежного экрана не является верным, так как принципно нереально зарегистрировать прохождение фотона через одну из щелей, не поглотив его. Поглощение же фотона у одной из щелей промежного экрана просто значит ее закрытие, что неизбежно приводит к исчезновению интерференционной картины.

По современным представлениям на вопросец о том, в какую точку фотопластинки |x> попадет излученный источником фотон, теория в принципе не может отдать ответа, позволяя только рассчитывать лишь возможность попадания частички в рассматриваемую точку. Эта возможность оказывается пропорциональной традиционному значению интенсивности света (квадрату модуля электронного поля), вычисляемому обыкновенными способами решения задач интерференции:

(8) .

Энергия, переносимая интерферирующими световыми пучками равна произведению энергии 1-го фотона (3) и числа фотонов, попадающих в рассматриваемую точку (очевидно пропорционального вероятности P(x) ). Таковым образом снимается “противоречие” меж традиционным и планковским выражениями для энергии электромагнитного поля.

друг от друга зарядов электромагнитное поле в конце концов получило “практически видимый образ” совокупы частиц. Наглядность этого “вида” очень обманчива: характеристики фотонов значительно различаются от обычных параметров частиц, что время от времени приводит к недоразумениям даже у профессионалов. Наиболее того, быть может поставлена под колебание необходимость самой концепции фотонов, так как эти “частички” могут быть зарегистрированы только как акт взаимодействия излучения с веществом, в все моменты меж излучением и поглощением фотон принципно не смотрим.

]]>