Корпускулярно-волновая двойственность природы света

Ряд опытных фактов – фотоэффект, тормозное рентгеновское излучение, эффект Комптона и др. свидетельствует о справедливости квантовых (корпускулярных) представлений на природу света, в то же время большая группа явлений – интерференция, дифракция, поляризация и др. свидетельствует о волновой природе света. А какова же, на самом деле, природа света? Свет это непрерывный ряд электромагнитных волн или же поток дискретных фотонов беспорядочно испускаемых источником света? Приписывание свету двух взаимоисключающих свойств может создать впечатление о несовершенстве знаний о природе света. Однако важным достижением современной физики является понимание ошибочности противопоставления дискретных и непрерывно-волновых свойств. В проявлении этих свойств есть определенная закономерность. С уменьшением длины волны или увеличением частоты световой волны становятся более выраженными квантовые свойства света, для световых волн рентгеновского диапазона или гамма излучения становится труднее обнаруживать волновые свойства, а в длинноволновом диапазоне квантовые свойства проявляются весьма слабо. Именно поэтому большинство оптических явлений в области видимого света – интерференция, дифракция, поляризация и др. нашли, в первую очередь, свое объяснение в волновой оптике.

Одновременное проявление корпускулярных и волновых свойств света ставит задачу об установлении взаимосвязи между квантовыми и волновыми свойствами света. Такая связь выявляется при статистическом подходе к распространению света. С одной стороны, фотон это частица в которой заключены импульс и энергия частиц. При взаимодействии с веществом, например, с дифракционной решеткой происходит перераспределение потока фотонов и освещенности Е дифракционной картины на экране, Чем больше освещенность дифракционной картины на данном участке экрана, больше число фотонов, попадающих в эту область, иначе, тем больше вероятность попадания фотонов в эту область. С другой стороны, распределение освещенности в дифракционной картине с волновой точки зрения связано с амплитудой световой волны: чем больше освещенность в данной области картины тем больше квадрат амплитуды волн в этой области ЕА². Вывод: квадрат амплитуды световой волны в какой-либо области пространства является мерой вероятности попадания фотона в эту область пространства.

Таким образом, корпускулярные и волновые свойства света не исключают, наоборот, взаимно дополняют друг друга. Корпускулярные свойства света – импульс и энергия – заключены в фотонах, а волновые – в распределении фотонов в пространстве.

Строение атома и линейчатые спектры водородоподобных систем Опыты Резерфорда по рассеянию α-частиц

После открытия электрона (1898) стало возможным строить модель атома. Стремясь объяснить линейчатые спектры атомов, английский ученый Томсон (1903) предложил модель атома, согласно которой атом представляет собой равномерно заполненную положительным электричеством сферу, внутри которой находится электрон. Суммарный положительный заряд атома равен заряду электрона. Электрон в атоме удерживается около положения равновесия квазиупругой силой . Электрон, выведенный из положения равновесия каким-либо образом, совершает колебания, приводящие к излучению энергии.

Однако такая модель оказалась несостоятельной и представляет лишь историческую ценность.

Чтобы установить распределение положительных и отрицательных зарядов в атоме, необходимо было опытное зондирование внутренних областей атома. Такой опыт поставил Резерфорд вместе со своими сотрудниками Х. Гейгером и Э. Марсденом (1911) (рис.47).

Рис 47

(Р- источник -излучения, ф – фольга, Пр – приемник рассеянного излучения).

Они исследовали рассеяние α-частиц при их прохождении через тонкую металлическую фольгу. α-частица – ядро атома гелия (двукратно ионизированный атом гелия), несущий положительный заряд, равный двум зарядам электрона. Опыты показали, что подавляющее большинство частиц отклонялось на весьма малый угол от первоначального направления, тем не менее, имелось небольшое количество и таких α-частиц, которые отклонялись на большие углы порядка 135 – 180⁰.

Масса электрона много меньше массы α-частицы, электрон заряжен отрицательно и он не мог вызвать отклонение α-частицы на большой угол, скорее он мог быть выбит и атома. Такое отклонение могло быть вызвано соударением α-частицы с массивной частицей, имеющей положительный заряд. Малое количество частиц, отклоненных на большие углы, свидетельствовало, что такая частица в атоме занимает весьма малый объем.

На основе анализа результатов опытов Резерфорд выдвинул ядерную модель атома, согласно которой в ядре атома с линейными размерами порядка 10^-15-10^-14 м заключен весь положительный заряд атома и практически вся масса атома. Вокруг ядра в области с линейными размерами порядка 10^-10 м вращаются электроны, общая масса которых значительно меньше массы ядра. Такая модель атома напоминает собой солнечную систему и была названа планетарной моделью.

Недостатком предложенной модели явилось то обстоятельство, что согласно классической физике, электроны, вращающиеся вокруг ядра по круговым орбитам с центростремительным ускорением, должны непрерывно излучать энергию, и двигаясь по спирали из-за потери энергии, в конечном счете, должны упасть на ядро и атом, как таковой, должен исчезнуть. Излучение такого атома должно иметь непрерывный спектр. Однако же атом является устойчивой системой и излучение атома имеет линейчатый спектр.