Корпускулярная теория света

Корпускулярно-волновой дуализм (КВД) появился на основе теории Нильса Бора, который, анализируя спектры различных веществ, высказал предположение, идущее вразрез с канонами классической физики, а именно, что энергия атома не непрерывна, а дискретна и может принимать лишь ряд так называемых разрешённых значений энергии, а все остальные значения являются запрещёнными. Справедливость теория Бора была доказана в опытах Джорджа Франка и Генриха Герца (1913).

Минимальное значение энергии атом имеет при температуре абсолютного нуля, и такое состояние атома называют основным, а все остальные – с большими значениями (уровнями) энергии – возбуждённым. В то же время невозбуждённым часто считают состояние атома, находящегося в обычных условиях, т.е. при комнатной температуре, атмосферном давлении и без внешних энергетических воздействий.

Сообщение атому внешней энергии приводит к его возбуждению лишь в том случае, если «порция» или квант (от лат. квантум – количество) сообщаемой энергии равна энергетическому «зазору» между разрешёнными энергетическими состояниями. В результате возбуждения энергия электронов увеличивается, и они переходят на более удалённые от ядра оболочки. По истечении времени возбуждённого состояния – 10^-8-10^-7с – атом возвращается в исходное состояние, отдавая квант энергии в виде энергии ЭМП. Этот квант энергии назвали фотоном, подчёркивая, тем самым, что его рассматривают в качестве квазичастицы (как бы частицы), которая не имеет массы покоя, распространяется со скоростью света и представляет собой своеобразный «сгусток» энергии, величина которой:

, (8)

где - энергия фотона, Дж, h – постоянная Планка, Дж , – частота фотона, с^-1. Как следует из (8), энергия фотона зависит только от его частоты.

Таким образом, если Е₂ и Е₁ - энергии соответственно возбуждённого и невозбуждённого состояний атома, то формула Бора имеет следующий вид:

. (9)

Переход от одного разрешённого энергетического состояния к другому происходит мгновенно, скачком и связан либо с поглощением энергии атомом, либо с её испусканием.

КВД заключается в том, что любой микроскопический объект обладает как свойствами частицы, так и свойствами волнового поля. Простейшим движением частицы является её свободное движение, без приложения внешней силы. Оно характеризуется энергией Е и импульсом p. Простейшим волновым полем является плоская монохроматическая волна, характеризуемая частотой волны , длиной волны λ и волновым вектором k, причём волновой вектор связан с длиной волны следующим образом:

= . (10)

Разделим левую и правую части выражения (8) на скорость света:

, отсюда , (11)

где .

Выражение (11) получено с учётом того, что в квантовой механике нет разделения энергии на кинетическую и потенциальную, поскольку потенциальная энергия является функцией координат, а понятие координаты в квантовой механике лишено смысла из-за СНГ. Поэтому речь может идти только о полной энергии, определяемой как .

Полученное выражение объединяет обе теории – волновую и корпускулярную, ибо левая его часть представляет собой важнейший параметр частицы – импульс, а правая содержит важнейший параметр волны – её длину.

КВД впервые был сформулирован Луи де Бройлем (1924) и экспериментально подтверждён К. Дэвиссоном и Л. Джермером (1927). В связи с этим в квантовой физике широко используется понятие волны де Бройля (ВДБ), длину которой находят из (11):

. (12)

Электроны в вакуумных приборах разгоняются до скорости, составляющей до 40% от скорости света. Длина волны де Бройля, найденная по (11), в этом случае составляет величину порядка 10^-12м, поэтому наблюдать интерференционную картину в микроскоп нельзя, т.к. длина волны, на которую реагирует человеческое зрение, порядка 10^-7м. По мере увеличения массы частиц длина ВДБ становится ещё короче, например, у частицы песка массой 10^-3кг, летящей со скоростью 10м / с, длина волны имеет величину порядка 10^-32м.

Трудность восприятия КВД заключается в том, что испускание и поглощение фотона локально (от лат. локус – место), поскольку связано с атомом, находящемся в узле кристаллической решётки, а распространение фотона имеет пространственный характер, поскольку волна заполняет всё пространство. Иными словами, фотон «рождается» и «умирает» как частица, а распространяется как волна. Поэтому, характеризуя фотон, используют смешанный набор параметров – энергию и импульс как для частицы, а также частоту и поляризацию – как для волны.

Дата добавления: 2014-11-18