Корпускулярно-волновой дуализм света

Этот эффект не может быть объяснен в рамках волновой теории света, согласно которой световая волна при рассеянии не должна изменять свою длину, поскольку поддействием периодического поля световой волны электрон колеблется с частотой поля, поэтому должен излучать рассеянные волны той же частоты. Объяснение эффекта Комптона базировалось на квантовых представлениях о природесвета. Эффект Комптона наблюдается не только на электронах, но и на других частицах, имеющих заряд, например на протонах. Однако из-за того, что протон обладает большой массой, его отдача просматривается лишь при рассеянии фотонов очень высокихэнергий. Как эффект Комптона, так и фотоэффект на основе квантовых представленийобуславливаются взаимодействием фотонов с электронами. В случае, когда имеет место эффект Комптона фотонрассеивается, в случае фотоэффекта — поглощается. Рассеяние происходит при взаимодействиифотона со свободными электронами, а фотоэффект — со связанными электронами. Можно показать, что при столкновении фотона со свободными электронами неможет произойти поглощения фотона, поскольку это будет находиться в противоречии сзаконами сохранения импульса и энергии. Поэтому при взаимодействии фотонов сосвободными электронами может наблюдаться только их рассеяние, то есть эффект

Комптона.Глава 3. Корпускулярно-волновой дуализм в современной физике

Итак, на первый взгляд, кажется, что, объединив электромагнитные волны и фотоны в одном объекте, можно ответить на вопрос о природе света. Свет есть волны и частицы. Однако, критическое изучение данного ответа показало несостоятельность простого механического объединения волн и частиц. Оказалось, что представления об электромагнитной волне и представления о потоке частиц исключают друг друга. Световая волна являет собой нелокализованное электромагнитное поле, которое распределено по пространству. Объемная плотность энергии электромагнитного поля волны пропорциональна квадрату ее амплитуды и может изменяться на сколь угодно малую величину.

В отличие от волны, фотон, как световая частица, в конкретный момент времени является локализованным вблизи некоторой точки пространства и со временем перемещается в пространстве. Световая энергия в этой модели изменяется не непрерывно, а дискретно, оставаясь всегда кратной минимальной порции энергии (кванту), которую несет одиночный фотон. Возникает вопрос, как же в одном материальном объекте объединить противоположности, казалось бы, исключающие друг друга? Разрешение данного вопроса содержится в работах крупнейших философов, пришедших к выводу о том, что в материальных объектах природы могут содержаться внутренние противоречия, объединяя в себе противоположные качества.

Именно так и современная физика отвечает на вопрос о природе света. Свет представляет собой материальный объект, обладающий как корпускулярными, так и волновыми свойствами. В различных физических процессах данные свойства проявляют себя в различной степени. Представления Эйнштейна о квантах света, которые в 1913 году послужили основой теории Н. Бора, через 10 лет снова дали свои плоды, оказав воздействие на развитие атомной физики, приведя к идее о «волнах материи» и тем самым заложив основу новой стадии развития квинтовой теории. В 1924 году французским физиком Луи Де Бройль была выдвинута идея о волновых свойствах материи. Им была написана работа «Свет и материя», в которой говориться о необходимости использовать волновые и корпускулярные представления не только в соответствии с учением Эйнштейна в теории света, но и в теории материи. Де Бройль утверждал, что волновымисвойствами, наряду с корпускулярными, обладают все виды материи: электроны, протоны, атомы, молекулы и даже макроскопические тела. В 1926 году австрийским физиком Э. Шредингером было найдено математическое уравнение, которое определяет поведение волн материи.

Это уравнение получило название — уравнение Шредингера. Предположение Де Бройля о всеобщем дуализме частицы и волны дало начало теории, с помощью которой можно было охватить свойства материи и света в их единстве. Кванты света становились при этом особым моментом всеобщего строения микромира. Однако, гипотеза Де Бройля нуждалась в экспериментальном подтверждении. Наиболее убедительным свидетельством присутствия у материи волновых свойств стало обнаружение в 1927 году дифракции электронов американскими физиками Дэвисоном и Джермером. Корпускулярно-волновой дуализм в современной физике стал всеобщим. Любой материальный объект характеризуется наличием как корпускулярных, так и волновых свойств. Квантово-механическое описание микромира базируется на соотношении неопределенностей, которое было установлено немецким физиком Гейзенбергом, а так же на принципе дополнительности

Бора, согласно которому, для полного описания квантово-механических явлений необходимо применение двух взаимоисключающих наборов классических понятий, совокупность которых даёт исчерпывающую информацию об этих явлениях как о целостных. То есть понятие частицы и волны являются взаимодополняющими, и в то же время противоречат друг другу. В книге «Физика атомного ядра», написанной В. Гейзенбергом, раскрывается содержание соотношения неопределенностей. Он пишет о том, что невозможно одновременно точно знать оба параметра — координату и скорость. Нельзя одновременно знать, где находится частица, с какой скоростью и в каком направлении она движется. Если осуществляется эксперимент, который показывает точно, где находится частица в данный момент времени, то движение нарушается в такой степени, что частицу после этого невозможно найти. И, напротив, при точном измерении скорости невозможно определить место расположения частицы. Согласно современным представлениям, структуру элементарных частиц описывают посредством непрерывно возникающих и снова распадающихся виртуальных частиц. Формальное привлечение виртуальных частиц свидетельствует о том, что внутреннюю структуру элементарных частиц невозможно описать через другие частицы. Удовлетворительной теории происхождения и структуры элементарных частиц пока не существует. Многие ученые полагают, что создание такой теорию возможно лишь при учете космологических обстоятельств.

Огромное значение имеет исследование рождения элементарных частиц из вакуума в сильных гравитационных и электромагнитных полях, поскольку в них устанавливается связь микрои мегамиров. Фундаментальные взаимодействия во Вселенной, в мегамире определяют структуру элементарных частиц и их превращения. Тем не менее, очевидно, что потребуется выработка новых понятий для адекватного описания структуры материального мира. Заключение

В заключение можно сделать следующие выводы. Свет проявляет корпускулярные свойствав том, что его энергия, импульс, масса и спин являютсялокализованными в фотонах, а не размытыми в пространстве, но не в том, что фотонможет находиться в конкретно определенном месте пространства. Свет ведетсебя как волна в том смысле, что распространение и распределение фотонов впространстве носит вероятный характер, поскольку вероятность того, что фотон находитсяв конкретной точке пространства, определяется квадратом амплитуды в этой точке. Новероятностный, то есть волновой характер распределения фотонов в пространстве неозначает, что фотон в каждый момент времени находится в одной определенной точке. Таким образом, природа света сочетает в себе как непрерывность волнтак и дискретность частиц. Если учесть, что фотоны существуют только в движении, то можно сделать вывод о том, что свету одновременно присущи как волновые, так икорпускулярные свойства. Тем не менее в некоторых явлениях и при определенных условияхрешающую роль будут играют либо волновые, либо корпускулярные свойства света и в соответствии с этими его можнорассматривать или как волну, или как частицы. Список использованной литературы:

1) А. А. Детлаф Б.М. Яворский «Курс физики», М.:" Высшая школа", 2000 г. 2) Т. И. Трофимова «Курс физики», М.:" Высшая школа" 2001 г.3) Х. Кухлинг «Справочник по физике», М.: «Мир» 1982 г.4) Гурский И. П. «Элементарная физика» под ред. И. В. Савельева, М.: «Наука», 1984 г.5) Тарасов Л. В., Тарасова А. Н. «Беседы о преломлении света» под ред. В. А. Фабриканта, М.: «Наука», 1982 г.