Поняття про хвильову і квантову природу світла

Питання про природу світла є досить складним. З одного боку світло можна розглядати як електромагнітну хвилю довжиною , що сприймається оком людини. Типові хвильові властивості світла – дифракція, інтерференція, поляризація підтверджують хвильову природу світла. Але існують і інщі явища, наприклад фотоефект, ефект Комптона і.т.д., які не можуть бути пояснені хвильвою теорією. Для пояснення цих явищ приходиться розглядати світло як потік особливих частинок (корпускул) – фотонів, або світлових квантів. Тобто світлу притаманні і хвильові і корпускулярні властивості.

Для пояснення однієї групи оптичних явищ ми вимушені звертатися до хвильової точки зору на природу світла, для пояснення іншої – до корпускулярної. Яка ж в дійсності природа світла? Відповідь на це питання дає сучасна квантова механіка.

Виявляється, що однозначної відповіді просто не існує. Зверніть увагу, що в природі і житті не все можна однозначно визначити і все абсолютно зрозуміти. (Хоча де хто з студентів думають, що це стосується тільки фізики.) Адже такі прості і, на перший погляд, зрозумілі поняття як “хороша людина”, кохання, щастя, “успіх” не можна укласти в межі чітких визначень (подумайте над цим). Наприклад, людина, яку ми звикли вважати “хорошою”, може повести себе зовсім не так, як ми очікуємо в тій чи іншій життєвій ситуації.

Важливим відкриттям сучасної фізики є висновок, що багатьом процесам мікросвіту і, зокрема, світлу притаманний корпускулярно- хвильовий дуалізм (подвійність властивостей).

При поширенні – світло проявляє хвильові властивості. При випромінюванні й поглинанні – як хвильові, так й корпускулярні. Треба просто звикнути до цього, як ми звикаємо, що наша улюблена людина може поводити себе по-різному.

Для тих хто “полюбляє” визначення можна пропонувати слідуюче. Сучасна квантова механіка визначає світло як форму матерії, що існує у вигляді фундаментальних утворень – квантів, які не можна ототожнювати ні з хвилею, ні з частинкою. Квант світла буде проявляти хвильові, або корпускулярні властивості в залежності не тільки від власних властивостей, але і від властивостей середовища, що його оточує – від властивостей системи, із якою він взаємодіє. Щоб зрозуміти це визначення необхідно обов'язково прочитати наступні розділи.

Класична й квантова фізика про природу електромагнітного випромінювання

Згідно класичної електродинаміки, якщо заряди рухаються прискорено (змінюється їх швидкість), спостерігається випромінювання електромагнітних хвиль. Прикладом прискореного руху зарядів є гармонічні коливання електронів у коливальному контурі, або антенному пристрої. Частота випромінювання дорівнює частоті , із якою коливаються заряди. Якщо коливання електронів не гармонічні, то випромінюється хвиля, якій відповідає не одна частота, а певна полоса частот . Енергія випромінювання тим більша, чим більша частота.

На класичних уявленнях ґрунтується робота сучасних радіо, телевізійних систем, систем зв'язку і.т.д. Але механізм випромінювання світла виявляється більш складним.

В широкому розумінні, до світлового діапазону належать інфрачервоне (ІЧ) випромінювання, видиме світло й ультрафіолетове (УФ) випромінювання. Діапазон частот становить приблизно (10¹¹ - 10¹⁷ )Гц.

Найбільш поширеними джерелами цих видів випромінювання є атоми й молекули. ІЧ випромінювання виникає при складному русі атомів у молекулах. Такий рух відбувається при обертанні молекули і коливанні її атомів. Видиме світло й УФ випромінювання спостерігається при коливанні електронів в атомах і іонах.

Було б дуже спрощено і не вірно вважати, що електрони у атомах здійснюють прості коливальні рухи, або допускати інші “класичні” уявлення про можливі траєкторії їхнього руху.

Тільки квантова механіка вивчає закони руху мікрооб'єктів і описує властивості на мікрорівні. Перехід від класичної фізики до квантової є перехід не від макросвіту до мікросвіту, а від менш глибокого до більш глибокого розглядання матерії.

Згідно сучасної квантової теорії електромагнітне випромінювання випускається, поширюється й поглинається у вигляді окремих порцій енергії, величина яких пропорційна частоті випромінювання . Коефіцієнт пропорційності називається сталою Планка.

Величина дуже мала, тому дуже мала і порція енергії випромінювання . Виявилась, що таку енергію має частинка, яку називають квантом випромінювання, або фотоном.

Отже, не важливо як саме рухаються електрони в атомах. Головне зрозуміти, що енергія випромінюючого тіла змінюється порціями, або дискретно. Мінімальна порція енергії, яка випромінюється, уноситься квантом з енергією .

Співвідношення не можна довести логічно. Ніхто не знає чому це так. Просто так побудована природа. Прийнявши це можна пояснити інші явища.