Современные представления о природе света

Установление основных представлений оптики проходило долго и мучительно. В ходе этого становления многим физикам даже 20 в., внесшим решающий вклад в развитие оптики, приходилось неоднократно изменять свое мнение о природе света и фундаментальных процессах его поглощения и испускания.

Как верно заметил академик Л.И.Мандельштам, истинное понимание заключается в умении разбираться в парадоксах, неизбежно возникающих при развитии физики. Основополагающие понятия оптики, так же как квантовой механики по выражению известного физика начала 20 в Хвольсона «поразительно парадоксальны».

В теории Планка предполагалось, что атом обменивается энергией с электромагнитным полем не непрерывно, а лишь порциями, квантами, вели­чины которых пропорциональны частоте света. В 1905 г. Эйнштейн на осно­вании теории Планка предположил, что планковские кванты существуют в виде реальных частиц, названных им световыми квантами или фотонами. Таким образом, ему удалось объяснить фотоэффект и фотохимические эффекты. В явлениях такого рода энергия, передаваемая светом отдельной частице, пропорциональна не интенсивности, а частоте излучения. При этом наглядно свет можно представить как мелкий град или поток быстро летящих шариков.

Гипотеза световых квантов была воспринята в то время ведущими физиками как ересь. Фотон был признан только после длительной и ожесточенной борьбы. Решающим аргументом в пользу его признания было открытие эффекта Комптона (1923).

Авторы наиболее фундаментальной монографии "Основы оптики" Борн и Вольф отмечают удивительно парадоксальный, почти иррациональный смысл уравнения Планка Е = hv и в своем изложении избегают этого понятия.Сам Эйнштейн ясно понимал неудовлетворительность и временный характер гипотезы световых квантов. В конце жизни в 1951 г. он писал: "После 50 лет раздумий я так и не смог приблизиться к ответу на вопрос, что же такое световой квант, хотя в наши дни каждый мальчишка воображает, что ему это известно...".

В современных школьных и вузовских учебниках природу света обычно объясняют с помощью туманных рассуждений о корпускулярно-волновом дуализме, а изложение строится так, что у читателя складывается впечатление о фотоне, как о реально существующей элементарной частице. "Свет обладает одновременно как волновыми, так и корпускулярными свойствами", "Свет имеет прерывистую структуру». Подобные устаревшие представления до сих пор встречаются в целом ряде изданий.

Парадокс, связанный с фотоном, заключается в том, что он должен обладать свойствами, которыми принципиально не может обладать никакая реально существующая частица. Поэтому говорить о нем, как о реальном объ­екте природы, неверно. Фотон - лишь физическая модель, применение которой чрезвычайно облегчает рассмотрение процессов обмена энергией, импульсом и моментом импульса между светом и веществом.

Фотон - бесконечная плоская монохроматическая волна с круговой поля­ризацией (правой или левой). В то же время при рассмотрении поглощения и испускания фотона предполагается мгновенность этого процесса. В соответствии с классическими представлениями такая волна не может поглощаться или испускаться, т. к. она вечна, а интегрирование по всему пространству дает бесконечно большую энергию фотона. Атом, размеры кото­рого на много порядков меньше длины световой волны, принципиально не может излучить плоскую, не расходящуюся волну. Таким образом, фотон - это матема­тическая абстракция, такая же, как точка или прямая линия.

Аналогичные парадоксы существуют при описании волновых свойств материальных частиц в квантовой механике: приходится одновременно считать их точечными объектами, масса которых сосредоточена в бесконечно малом пространстве, и в то же время бес­конечными плоскими волнами (волнами де Бройля). Точечная частица не может обладать собственным вращательным моментом (спином). В то же время почти все элементарные частицы этим свойством обладают.

В Берклеевском курсе физики [3] делается попытка обойти указанную

трудность, в нем фотон - волновой пакет, "почти монохроматическое излучение". Такое представление неудовлетворительно и приводит к новым проблемам: элементарный волновой пакет должен обладать не только несущей частотой v, но и рядом других параметров, например, конечными длительностью и спектральной шириной, зависимостью амплитуды колебаний от времени и ря­дом других. Опыты прямо противоречат такому представлению: интерференционная картина, получаемая от сверхслабых световых потоков, в кото­рых кванты света (если бы они существовали) должны лететь по отдельности, не обнаруживает какого-либо спектрального уширения по сравнению с более интенсивным монохроматическим световым потоком. Свет даже самой малой интенсивности может быть разложен с помощью спектрального прибора на монохроматические волны.

В учебники по физике иногда включают еще одно спорное утверждение о том, что квантовые свойства электромагнитного излучения ярче проявляются при уменьшении длины волны . Это заблуждение, вероятно, связано с тем, что статистический характер гамма-излучения ядер отдельных атомов экспе­риментально зарегистрировать с помощью счетчиков Гейгера, гораздо проще, чем реализовать счет фотонов видимого светового излучения. На самом деле принципиальной разницы в электромагнитном излучении атомного ядра или электронной оболочки атома (гамма-излучения и видимого света) не существует. Наблюдение эффекта Мессбауэра (узкополосного гамма-излучения, происходящего без обмена импульсом с отдельными атомами кристаллической решетки) и многие опыты с мессбауэровским излучением - пример процессов, в которых проявляются именно волновые свойства гамма-излучения.

Регистрация сильно ослабленного видимого света с помощью счетчиков фотонов однозначно свидетельствуют о прерывистом, статистическом характере поглощения света атомами фотоприемника.

В конечном итоге в современной теоретической физике при описании взаимодействия света и вещества пришлось отказаться от применения в качестве расчетных моделей реальных объектов. Такое описание в настоящее время строится на абстрактых моделях не существующих в природе: волнах вероятности (волновой функции) и наборе "квазичастиц": фотонов, фонов, экситонов, электронов, дырок и т.д.

Эта ситуация, есть естественный результат эволюции науки. Как известно первые асбстрактные модели – отрицательные, иррациональные, мнимые числа в математике, материальные точки в физике появились еще в средние века. Такое положение, сложившееся в науке, очень не нравится некоторым философам и служит поводом для обвинений в физическом идеализме.

Современная квантовая электродинамика позволяет с высокой точностью рассчитывать процессы взаимодействия света и электронов. В ней моно­хроматическую световую волну считают эквивалентной квантовому осцил­лятору. Такой осциллятор обладает бесконечным набором дискретных уров­ней энергии, разделенных величиной hv, и «нулевой» энергией - hv/2. При взаимодействии волны с атомом электромагнитное поле переходит из одного состояния в другое, при этом его энергия изменяется на hv. Слова "поглощение и испускание фотона" означают, таким образом, изменение энергии волны на эту величину. Фотон не есть частица в обычном понимании этого слова, так как пространственно его невозможно выделить из всей волны в целом.

Для описания таких "частиц", как фотон, в современной физике пользуются понятием "квазичастица" - буквально «почти частица», или элементарное возбуждение. Конкретная квазичастица (фотон, фонон, экситон и т.д.) - идеаль­ная физическая модель, позволяющая правильно рассчитывать результаты некоторого узкого класса экспериментов.

С точки зрения квантовой теории поля фотон непрерывно взаимодействует с физическим вакуумом, и поэтому должен рассматриваться как коллективное образование, система многих частиц.

Исследования сложных колебательных систем, описываемых так называемыми "странными аттракторами" последних десятилетий, позволили уста­новить причины еще одного непонятного ранее свойства излучающих и погло­щающих электромагнитное излучение систем - отсутствие детерминизма, его вероятностный характер. Как известно, процессы радиоактивного распада ядер атомов с излучением гамма-квантов, а также оптические спонтанные и выну­жденные переходы электронов в атомах, происходят с определенной веро­ятностью. Невозможно точно определить, например, распадется ли данный атом радиоактивного изотопа ⁴⁰К в данный момент или через миллиард лет.

Световые волны переносят энергию, импульс и момент импульса. Их взаимодействие с атомной системой, обладающей большим числом степеней свободы, сложный динамический процесс. Такие процессы характеризуют понятием "динамический хаос". В процессах с динамическим хаосом даже точное задание начальных условий не позволяет рассчитать момент появления того или иного события в системе, например, перехода атома в возбужденное состояние или обратного перехода. Такой процесс становится принципиально нерегулярным, хаотичным во времени. Хаотичность не является следствием неточности наших расчетов. Она сущестует объективно. Спустя определенное время после включения светового возбуждения процесс перехода атома в состояние с другой энергией будет происходить, но с определенной вероятностью. Динамический хаос - причина статистического характера про­цессов поглощения и испускания света.

Хотя причина универсального характера постоянной Планка в физике осталась не совсем понятной, введение представления о фотоне стало большим достижением физики. Используя это понятие, даже школьник может рассчи­тывать многие сложные оптические процессы взаимодействия света и вещества, пользуясь фактически простой механической моделью сталкивающихся шариков и набором простых формул: е = h v; р = h v/c; m = h v/c2.

Модель световых квантов применима не всегда. При рассмотрении процессов распространения света в волноводах и световодах, излучения антенн и во многих других задачах применяют волновую теорию. Причем, если задача решается с помощью уравнений Максвелла, физики уверены, что никакой экспериментальной проверки решения не требуется - оно будет точным. Эффект Мессбауэра - пример процесса, в котором неприменимы простые представления о взаимодействии гамма-кванта и отдельного атомного ядра.

Таблица 3. Этапы открытия электрона

Год	Ученый, годы его жизни	Суть наблюдения, эксперимента
I. Гипотеза об электроне
1834 1838 1854 1858 1876 1869 1879 1878	Майкл Фарадей Он же Г. Гейсслер (1815 – 1879) Юлиус Плюккер (1801 – 1868) Е. Гольдштейн (1850 – 1931) Иоганн Вильгельм Гитторф (1824 –1914) Кромвель Вэрли (1828 – 1881) Уильям Крукс (1832 – 1919)	Установил законы электролиза. Ввел понятия: ион (странник), катион (отрицательный ион), анион (положительный ион), анод и катод. Установил, что ионы вещества имеют один и тот же положительный или отрицательный заряд. Измерил элементарный электрический заряд на основании опытов по электролизу: e = F/NA = 4,803 10-10 ед. СГС. С помощью «Электрического яйца» Фарадея – откачанной стеклянной трубки с запаянными с обоих концов электродами обнаружил электрическую проводимости газов. Электрическая проводимость газа возрастает с уменьшением давления газа в трубке. Создание светящихся газоразрядных трубок. Изобретение паро-масляного насоса. В вакууме, создаваемом этим насосом, длина свободного пробега электронов достигает десятков см. Изобретение технологии впаивания металлических электродов в стекло. Ввел понятие «катодные лучи», испускаемые нагретым электрическим током электродом в трубке, из которой откачан воздух. После открытия электрона явление испускания электронов нагретой поверхностью назвали термоэлектронной эмиссией. Обнаружил отклонение катодных лучей в магнитном поле. Установил, что катодные лучи заряжены отрицательно. Открыл явление сцинцилляции – свечения стекла под действием катодных лучей. Установил, что катодные лучи отклоняются магнитным и электрическим полем. Создание электронно-лучевой трубки. Объяснение зависимости величины темного пространства у катода трубки от давления воздуха в трубке – длиной свободного пробега электронов. Заключение о существовании отрицательно заряженных частиц с массой, значительно меньше атомной.
II. Открытие электрона. Измерения его заряда и массы.
1891 1897 1909	Дж. Стоней (1826 – 1911) Дж. Дж. Томсон (1856 – 1940) Р.Милликен (1868 – 1953)	Ввел термин «электрон» для обозначения наименьшего заряда, существующего в природе. Открытие электрона. Заряд электрона численно равен заряду иона водорода. Масса электрона в 1840 раз меньше массы атома водорода. Определение отношения заряда электрона к его массе. Сформулировал основополагающие утверждения: Электрические явления связаны с движением электрических частиц, квантов электричества - электронов; электрон – составная часть всех атомов; электрон – материальный носитель наименьшего электрического заряда. Прямые измерения заряда электрона. Значение этого заряда совпало с величиной элементарного заряда М. Фарадея.

Атом – микрочастица вещества, наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств. Атом может быть в свободном (газ, плазма) и связанном состоянии (жидкие и твердые тела). Химический элемент обозначается стандартным символом

Нуклид – любое атомное ядро, атом с заданным числом протонов и нейтронов. Общее обозначение нуклида: ^A_zE_N, где Е – символ элемента, А – массовое число, А = Z + N, Z – заряд ядра или его номер в таблице Менделеева, N – число нейтронов в ядре. (например: ²³⁵₉₄U). Нуклиды с одинаковым Z называют изотопами данного элемента.

А выражают в атомных единицах массы, а.е.м.

а.е.м. равна 1/12 массы изотопа ¹²С. а.е.м. = 1.66057(2) 10^-24 г.

Первая оценка числа Авогадро N_A была сделана Лошмидтом в 1865 г. Число Авогадро связано с числом Фарадея F = N_Ae = 96484,56 (27) Кл/моль.

Число Авогадро измерял Перрен в опытах с движением броуновских частиц.

Наиболее точное современное определение N_A основано на измерениях образца из чистого кремния. Измеряется масса, и размеры кубика из кремния, грани которого отполированы с максимально возможной оптической точностью. Кристаллический кремний имеет кубическую структуру, расстояние между атомами в узлах кристаллической решетки точно измерено с помощью дифракции рентгеновских лучей (а = 543,106515 пм при 25^оС).Таким образом можно определить число атомов в образце.

Природный кремний – смесь трех изотопов ²⁸Si, - 92,23%; ²⁹Si – 4,67%; ³⁰Si – 3,10%. Его средняя молярная масса М = 28,0855 (масс-спектрометрические измерения).Зная массу образца можно определить число молей кремния, которое он содержит. Число Авогадро равно числу атомов в образце, деленному на число молей. N_A = 6,0220943(1)10²³ моль^-1.

Рентгеновское излучение (1895)

Рис. 21а. Рентгеновская трубка.

б в

Рис. 21б. Зависимость спектра рентгеновского излучения от ускоряющего напряжения на рентгеновской трубке. Минимальная длина волны излучения (максимальная энергия рентгеновского кванта) зависит от разности потенциалов между катодом и мишенью V: . (в) (пунктир) – характеристические линии в рентгеновском спектре, длины волн которых зависят от материала мишени.