Впервые проблема корпускулярно-волнового дуализма проявила себя при поисках природы света. В 17 веке Исаак Ньютон предложил считать свет потоком мельчайших корпускул. Это позволяло просто объяснить ряд наиболее характерных свойств света – например, прямолинейность световых лучей и закон отражения, согласно которому угол отражения света равен углу падения. Вообще вся геометрическая оптика прекрасно согласуется с корпускулярной теорией света. Но – увы – явления интерференции и дифракции света никак в эту теорию не вписывались. Объяснить их удалось в 19 веке создателям волновой теории света, среди которых наиболее яркой фигурой является французский физик Френель. А теория электромагнитного поля и знаменитые уравнения Максвелла, казалось бы, вообще поставили точку в этой проблеме. Оказалось, что свет – это просто частный случай электромагнитных волн, то есть процесса распространения в пространстве электромагнитного поля. Мало того, волновая оптика объяснила не только те явления, которые не объяснялись с помощью корпускулярной теории, но и вообще все известные к 19 веку световые эффекты. И все законы геометрической оптики тоже оказалось возможным доказать в рамках волновой оптики. Но уже в самом начале 20 века опять возродилась корпускулярная теория света, так как были обнаружены явления, которые с помощью волновой теории объяснить не удавалось. Это – давление света, фотоэффект, Комптон-эффект и законы теплового излучения. В рамках корпускулярной теории эти явления прекрасно объяснялись, и корпускулы (частицы) света даже получили специальные названия. Макс Планк назвал их световыми квантами (по-русски – порциями), а Альберт Эйнштейн – фотонами. Оба этих названия прижились и употребляются до сих пор. Основной постулат корпускулярной теории электромагнитного излучения Электромагнитное излучение (и в частности, свет) – это поток частиц, называемых фотонами. Фотоны распространяются в вакууме со скоростью, равной предельной скорости распространения взаимодействия c = 3(10 м/с, масса и энергия покоя любого фотона равны нулю, энергия фотона E связана с частотой электромагнитного излучения ( и длиной волны ( формулой (1.1) где h – постоянная Планка, равная h = 6,62(10 Дж(с. Обратите внимание: формула (1.1) связывает корпускулярную характеристику электромагнитного излучения – энергию фотона – с волновыми характеристиками – частотой и длиной волны. Она представляет собой мостик между корпускулярной и волновой теориями. Существование этого мостика неизбежно, так как и фотон, и электромагнитная волна – это всего-навсего две модели одного и того же реально существующего объекта – электромагнитного излучения. Всякая движущаяся частица (корпускула) обладает импульсом, причём согласно теории относительности энергия частицы E и её импульс p связаны формулой: , (1.2) где E – энергия покоя частицы. Так как энергия покоя фотона равна нулю, то из (1.2) и (1.1) следуют две очень важные формулы: , (1.3) . (1.4) Итак, в физике сложилась удивительная ситуация – сосуществование двух серьёзных научных теорий, каждая из которых объясняла одни свойства света, но не могла объяснить другие. Вместе же эти две теории полностью дополняли друг друга. Выход из этой ситуации был найден следующий. Во-первых, электромагнитное излучение и его разновидность – свет – это более сложный объект нашего мира, чем волна или корпускула. Во-вторых, нужна синтетическая теория, объединяющая в себе и волновую и корпускулярную теории. Она была создана и получила название квантовой физики. Очень важно, что квантовая физика не отвергает ни корпускулярную, ни волновую теории. Каждая из них имеет свои преимущества и свой достаточно развитый математический аппарат. В следующих двух параграфах мы познакомимся с тем, как объясняет и описывает корпускулярная теория явление светового давления и эффект Комптона. Предполагается, что с теорией фотоэффекта, а так же с волновой оптикой читатель уже достаточно знаком. В заключение данного параграфа рассмотрим несколько физических величин, имеющих важное значение как в корпускулярной теории, так и в квантовой физике вообще. Читателю эти величины должны быть уже знакомы из молекулярной физики и электродинамики. Однако полезно их ещё раз вспомнить.
Плотностью потока частиц j называется вектор, направление которого совпадает с направлением вектора скорости этих частиц, а величина равна количеству частиц, падающих в единицу времени на единичную площадку, перпендикулярную j. Единицы измерения плотности потока фотонов в СИ – 1/(м(с) Плотность потока частиц j связана со скоростью частиц v известным соотношением: , (1.5) где n – концентрация частиц, то есть число частиц в единице объёма.
Потоком частиц ( на некоторую поверхность площадью S называется интеграл , (1.6) где jn – проекция вектора j на нормаль к поверхности. Физический смысл этого интеграла – количество частиц (например фотонов), падающих в единицу времени на поверхность площадью S. Единицы измерения потока частиц в СИ – с.
Плотностью потока энергии jw электромагнитной волны (фотонного пучка) называется вектор, направление которого совпадает с направлением скорости волны (фотонов), а величина равна количеству энергии, падающей в единицу времени на единичную площадку, перпендикулярную jw. Часто вектор плотности потока энергии jw называют вектором Умова-Пойнтинга. Единицы измерения jw в СИ – Вт/м.
Интенсивностью I электромагнитной волны (фотонного пучка) называется физическая величина, равная модулю вектора плотности потока энергии jw. (1.7) Единицы измерения интенсивности – те же, что и единицы измерения плотности потока энергии. В СИ это – Вт/м. Интенсивность связана следующей простой формулой с плотностью энергии w: . (1.8)
Потоком энергии электромагнитной волны (фотонного пучка) (w на некоторую поверхность площадью S называется интеграл , (1.9) где jwn – проекция вектора jw на нормаль к поверхности. Физический смысл этого интеграла – энергия излучения, падающая в единицу времени на поверхность площадью S. Единицы измерения потока энергии в СИ – Вт. Для монохроматического излучения, в котором каждый фотон имеет одну и ту же энергию E = h( = hc/(, векторы j и jw связаны друг с другом соотношением . (1.10) Аналогичной формулой связаны друг с другом поток фотонов ( и поток энергии (w: . (1.11)
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Дуализм света» з дисципліни «Квантова фізика»
