Световая волна считается в физике не локализованным электромагнитным полем, распределенным в пространстве.
Свет демонстрирует свойства волны в таких явлениях, как интерференция и дифракция при масштабах, которые сравнимы с длиной световой волны
История развития корпускулярно-волнового дуализма
Вопросы природы света и вещества имеют многовековую историю. До определенного времени было принято считать, что ответы на них обязательно должны быть однозначны:
- свет или представляет поток частиц, или является волной;
- вещество является состоящим из отдельных частиц, которые подчиняются классической механике, или представляет сплошную среду.
На протяжении своего развития атомно-молекулярное учение долгое время оставалось в статусе только одной из возможных теорий. Но уже к концу XIX века существование молекул и атомов у ученых не вызывало сомнений.
В 1897 году Томсоном был экспериментально обнаружен электрон, а в 1911 г. – Резерфорд совершил открытие ядра атома. Так, была разработана боровская модель атома, электрон в которой воспринимался в качестве очень малой или точечной частицы. В то же время модель Бора была не вполне последовательной, поэтому требовалась другая теория.
Что касается света, то корпускулярная теория, представлявшая световой луч в виде потока отдельных частиц, была очень популярной. Среди ее ярых сторонников был И. Ньютон. В 19 веке был сформулирован принцип Гюйгенса-Френеля и далее - уравнения Максвелла, которые описывали свет как состоящую из колебаний электромагнитного поля волну. Взаимодействие электромагнитной волны и вещества успешно описывала классическая теория поля.
Казавшееся устойчивым волновое описание света оказалось не полным, когда в 1901 г. М. Планку удалось получить формулу для спектра излучения абсолютно черного тела. Впоследствии Эйнштейн объясняет фотоэффект, основываясь на предположении, что свет, имея определенную длину волны, способен излучаться и поглощаться исключительно порционно. Такая порция характеризуется квантом света, впоследствии названным фотоном. Этот квант переносит энергию, которая пропорциональна частоте световой волны с коэффициентом, называемым постоянной Планка. Таким образом, выяснилось, что свет проявляет свои не только волновые, но также и корпускулярные свойства.
Французский физик Л. де-Бройль, развивая свои представления о двойственной корпускулярной волновой природе света, в 1923 г. выдвигает гипотезу об универсальности корпускулярно-волнового дуализма. Так, согласно утверждениям ученого, не только электроны и фотоны, но и любая другая частица материи обладают, наряду с корпускулярными, еще и волновыми свойствами.
Согласно предположению де Бройля, каждый микрообъект с одной стороны имеет корпускулярные характеристики, а с другой – волновые. В первом случае речь идет об импульсе и энергии, а во втором – о длине волны и частоте.
Принцип корпускулярно-волнового дуализма свое более корректное воплощение получает в волновой механике Шредингера, впоследствии превратившейся в современную квантовую механику.
Вскоре Дж. Томсон и К. Дэвиссон обнаруживают дифракцию электронов, получив тем самым подтверждение правильности квантовой механики и реальности волновых свойств электронов.
Поскольку дифракционная картина исследовалась учеными для потока электронов, требовалось доказать присутствие волновых свойств у каждого электрона, в частности. Экспериментально это получило подтверждение в 1948 году благодаря физику В. Фабриканту.
Ученый экспериментально продемонстрировал, что даже в случае относительно слабого электронного пучка (когда каждый электрон будет проходить через прибор независимо от других) дифракционная картина, возникающая при продолжительной экспозиции, не будет отличаться от картин, которые получаются при короткой экспозиции в отношении потоков электронов, более интенсивных в десятки миллионов раз.
Р. Фейнман при построении квантовой теории поля развивает общепризнанную сейчас формулировку через интегралы по траекториям, не требующую применения таких классических понятий, как волна или частица с целью описания поведения квантовых объектов.
Волна де Бройля
Свое количественное выражение принцип корпускулярно-волнового дуализма находит в идее волны де Бройля. В отношении любого объекта, одновременно проявляющего корпускулярные и волновые свойства, наблюдается связь между энергией и импульсом, которые присущи данному объекту как частице и его волновыми параметрами.
Такими параметрами выступают:
- волновой вектор;
- длина волны;
- частота;
- циклическая частота.
Такая связь задается следующими соотношениями:
Рисунок 1. Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Где
Рисунок 2. Выражение. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
это, соответственно, редуцированная и обычная постоянная Планка. Данные формулы верны в отношении релятивистских импульса и энергии. Волну де Бройля ставят в соответствие любому движущемуся объекту в микромире. Таким образом, в качестве волн де Бройля и массивные частицы, и свет подвержены явлениям дифракции и интерференции.
Чем больше будет масса частицы, тем меньше окажется ее дебройлевская длина волны при такой же скорости, и тем сложнее будет регистрация ее волновых свойств. Другими словами, при взаимодействии с окружением, объект поведет себя:
- подобно частице, если длина его дебройлевской волны окажется намного меньше характерных размеров, которые имеются в его окружении;
- подобно волне, если длина такой волны намного больше;
- промежуточный случай может описать только полноценная квантовая теория.
Эффект Комптона
В качестве классического примера применения принципа корпускулярно-волнового дуализма свет можно рассматривать в виде потока фотонов (корпускул). Эти фотоны в большинстве физических эффектов начинают проявлять свойства классических электромагнитных волн.
Свет проявляет свойства волны при интерференции и дифракции при масштабах, которые сравнимы с длиной световой волны. Даже одиночные фотоны, например, которые проходят через двойную щель, демонстрируют на экране интерференционную картину.
Корпускулярные свойства света будут проявляться в закономерностях теплового равновесного излучения в эффекте Комптона. Частоты фотона при его рассеянии на свободном электроне (до и после рассеяния соответственно) связаны таким соотношением:
Рисунок 3. Соотношение. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Уменьшение вследствие комптоновского рассеяния энергии фотона называется комптоновским сдвигом. В рамках классической электродинамики объяснение эффекта Комптона становится невозможным, поскольку рассеяние электромагнитной волны на заряде не изменяет ее частоты (томсоновское рассеяние).
Эффект Комптона представляет одно из доказательств справедливости корпускулярно-волнового дуализма микрочастиц, подтверждая существование фотонов. Закон сохранения энергии в эффекте Комптона при рассеянии на покоящемся электроне, можно записать в виде формулы:
Рисунок 4. Эффект Комптона. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
