Осыған дейін кванттық оптикалық құбылыстарды түсіндіргенде фотонның тек бір сипаттамасы-оның
жүктеу/скачать 335,58 Kb.
|
лекция 3-4 атомдық физика
|
Шындығында,белгілердің тіпті ретсіз, қалай болса солай орналасуы байқалады. Мұны сәуле шығарудың жеке істерінде (актыларында) біресе бір бағытта,біресе басқа бағытта ұшып шығатын жарық бөлшектері пайда болады деп қана түсіндіруге болады. Сонымен, ерекше жарық бөлшектері-фотондардың бар екендігі тәжірибеде расталды (фотоэффект,қара дене сәулесі). Демек,жарық электромагниттік толқындар қасиеттерін де және бөлшектердің ағыны қасиеттерін де өзінде үйлестіріп тұратын күрделі құбылыс болып табылады. Осындай үйлесімді екі жақтылық корпускулалық-толқындық дуализм деп аталады. Осыған дейін кванттық оптикалық құбылыстарды түсіндіргенде фотонның тек бір сипаттамасы-оның ε=ħω энергиясы пайдаланылды. Энергиядан басқа фотонның массасы және импульсы да болады. Фотонның массасы үшін формуланы салыстырмалылық теориядағы энергия мен массаның өзара байланысын өрнектейтін формуладан тікелей алуға болады: m=ħω/ (1.26) Фотон массасының басқа элементар бөлшектердің массаларынан елеулі өзгешелігі бар. Ол-фотонның тыныштық массасының болмайтығында. Шынында да,вакуумда қозғалатын фотон үшін υ=c , ал массаның жылдамдыққа тәуелділігін бейнелейтін m= формулаға сәйкес,егер фотонның нөлден өзгеше тыныштық массасы болады деп ұйғарылса,онда ақылға симайтын нәрсе шыққан болар еді. Сонымен,фотон үшін =0, яғни тыныштықта тұратын фотон болмайды. Бірақ,ескеретін нәрсе әрқашан кез келген ортада υ=c жылдамдықпен қозғалады,өйткені υ≠c болған жағдайда,фотонның массасы мен энергиясы нөлге тең болар еді, ал бұл (1.26) формулаға қайшы келеді. Осы қорытынды жарықтың заттағы фазалық және топтық жылдамдықтарының дан өзгеше болатындығына қайшы келмейді. Ортада жарықтың таралуы «қайта сәуле шығарылу» процестерімен ілесе жүреді. Осы айтылғандар с жарық жылдамдығынан кем жылдамдықпен (υ>c) қозғалып,тіпті тыныштықта болып өмір сүре алатын электрон,протон,нейрон және т.б. бөлшектерден фотонның өзгеше түрдегі бөлшек екендігін көрсетеді. Фотонның импульсы мен энергиясы салыстырмалылық теориясының жалпы формуласына сәйкес мына қатынаспен байланысқан: . фотон үшін , сонда (1.27) формуладағы ω жиілікті χ толқын ұзындығымен ауыстырып, фотон импульсы үшін өрнек аламыз Фотон электромагниттік толқынның таралу бағытында қозғалады. Сондықтан импульс пен толқындық вектор бағыттас болады. Демек, (1.27а) формуланы векторлық түрде жазуға болады: Егер фотондардың импульсы болса, онда жарық денеге түскенде оған қысым көрсетуі тиіс. Кванттық теория тұрғысынан бетке жарықтың қысым түсіруі әрбір фотонның бетпен соқтығысқан кезде оған өзінің импульсын беруге болады. Енді дене бетіне оған нормаль бойымен түсетін монохромат сәуле ағыны көрсететін жарық қысымын кванттық теория тұрғысынан есептейік. Егер дене бетінің бірлік ауданына уақыт бірлігінде N фотон түсетін болса, онда дене бетінен rN фотон шағылады (r-шағылу коэффициенті), Ал (1-r)N фотон жұтылады. Әрбір жұтылған фотон бетке =ħω/c импульс, ал шағылған фотон =2ħω/c импульс береді (шағылған кезде фотон импульсы- -ке өзгереді). Жарықтың бетке түсіретін қысымы 1секундта N фотонның бетке беретін импульсына тең: N2ħω= – беттің бірлік ауданына уақыт бірлігінде түсетін барлық фотон энергиясы, яғни беттің энергетикалық жарқырауы, ал – сәуле энергиясының көлемдік тығыздығы. Сондықтан жарықтың бетке нормаль бойымен түскендегі қысымы: Кванттық тұрғыдан шығарылған осы формула электромагниттік теорияда алынған формуламен дәл келеді. Сонымен, жарық қысымы толқындық та, кванттық та теориямен сәтті түсіндіріледі. Электромагниттік өрісті фотондар жиынтығы ретінде қарастыруға сүйеніп қара дененің ( сәуле шығарғыштық қабілеті мен сәуленің тепе-теңдіктегі тығыздығы арасындағы қатынасты оңай табуға болады. Тепе-теңдіктегі жылулық сәулемен толтырылған қуыстың бірлік көлемінде жиілігі жиіліктердің ( аралығында жататын n( фотон бар деп алайық. Сонда осы жиіліктер аралығына келетін энергия тығыздығы болады. Фотондар қуыс ішінде газ молекулалары сияқты барлық бағыттар бойынша ұшады. Сонда уақыт бірлігінде бірлік бетке соғылатын фотон саны (1/4)cn( ) болады. Егер қуыс қабырғасы қара болса,онда ол осы фотондардың бәрін жұтады, демек (1/4)ħωn(ω) энергия қабылдайды. Тепе-теңдік жағдайда қуыстың қара қабырғасы дәл осындай энергия шығарады. Сонымен , (1.29) және (1.30) өрнектерін салыстырғанда болатындығы шығады. Бұл бұрын келтірілген (1.5) формуламен бірдей. Жоғарыда жарық өзін бөлшектер (фотондар) ағыны ретінде көрсететін бірқатар құбылыстар қарастырылды. Алайда, жарықтың интерференциясы және дифракция құбылыстарын тек қана толқындық көрініс негізінде түсіндіруге болады. Осыған байланысты корпускулалық және толқындық көріністердің арақатынасы қандай деген сұрақ туады. Осы сұрақтың жауабын қандай да бір беттің жарықталуын екі көрініс тұрғысынан қарастырып, табуға болады. Толқындық тұрғыдан беттің қайсыбір нүктесінің жарықталуы жарық толқыны амплитудасының квадратына пропорционал. Корпускулалық тұрғыдан жарықталу фотондар ағыны тығыздығына пропорционал. Демек, жарық толқыны амплитудасының квадраты мен фотондар ағыны тығыздығы арасында тура пропорционалдық байланыс бар. Фотон энергия мен импульсты тасушы болып табылады. Энергия беттің фотон түскен нүктесінде ғана бөлінеді. Беттің берілген нүктесіне фотонның түсу ықтималдығын толқын амплитудасының квадраты анықтайды. Дәлірек айтқанда, кеңістіктің қарастырылып отырған нүктесін қамтитын dV көлем аумағында фотонның табылу ықтималдығы мына өрнекпен анықталады: Мұндағы χ- пропорциялық коэффициент, А-жарық толқыны амплитудасы. Осы айтылғандардан жарық түсетін бетте фотондардың үлестірілуі статистикалық сипатта болуға тиіс екендігі шығады. Тәжірибеде байқалатын беттің біркелкі жарықталуы, әдеттегі жарық интенсивтігі жағдайында фотондар тығыздығының өте үлкен болуына байланысты ( . Ықтималдық теориясында салыстырмалы флуктуациялар (яғни статистикалық шамалардың бұлардың орташа мәнінен салыстырмалы ауытқуы) фотон санының квадрат түбіріне кері пропорционал болатындығы дәлелденген. Сондықтан, фотондар ағынының тығыздығы үлкен болғанда флуктуациялар елеусіз аз болады,бет біркелкі жарықталып көрінеді, ешқандай дискреттілік білінбейді. Ал әлсіз жарық ағындарының флуктуациясын (кездейсоқ өзгерістерін) байқауға болады (Боте, Вавилов тәжірибелері). Жарықтың таралу заңдылығын қарастыруға статистикалық әдісті қолданып,екі жақтылы корпускулалық-толқындық қасиеттері арасында өзара байланысты түсіндіруге болады. Мысалы,жарықтың саңылаудағы дифракциясы мынада: саңылау арқылы жарық өткен кезде фотондар кеңістікте қайта үлестірілген болады. Сонда фотондардың экранның әр түрлі нүктелеріне түсу ықтималдықтары бірдей болмайды да, осыдан дифракциялық көрініс пайда болады. Экранның жарықталуы фотондардың экранның бірлік ауданына түсу ықтималдығына пропорционал. Ал, толқындық теория бойынша, жарықталу экранның сол нүктесіндегі жарық толқыны амплитудасының квадратына пропорционал. Демек, кеңістіктің берілген нүктесіндегі жарық толқыны амплитудасының квадраты сол нүктеге фотондардың түсу ықтималдығының өлшемі болып табылады. Сонымен, жарықтың корпускулалық және толқындық қасиеттері бірін-бірі жоққа шығармайды,керісінше бұлар бірін-бірі өзара толықтырып тұрады. Бұлар электромагниттік сәуленің таралу және оның затпен әсерлесуінің екі, әр түрлі, бірақта өзара тығыз байланысқан заңдылықтарын көрсетеді. Корпускулалық қасиеттер электромагниттік сәуленің энергиясы, импульсы және массасы дискретті «бөлшектер» -фотондарды шоғырлануы (жинақталуы) себеті пайда болады, толқындық қасиеттерге- фотондардың кеңістікте үлестірілуінің статистикалық заңдылықтары, яғни фотондардың кеңістіктің әр түрлі нүктелерінде болу ықтималдықтарын анықтайтын заңдылықтар себепші болады. Енді «фотон» ұғымына байланысты ескерту жасаған жөн («Фотон терминін 1929ж. Америка физик-химигі Г.Н.Льюис енгізді). Фотон деп физикалық объекті ұғынамыз; электромагниттік сәуле затпен әсерлескенде ол әрқашан өзін ε=ħω энергия және импульспен сипатталатын біртұтас, бүтін ретінде көрсетеді. Фотонның бөлігі болмайды,тек бүтін фотон болады. Фотонды элетромагниттік өріспен толтырылған кеңістіктің қайсыбір аймағ ретінде елестетуге болмайды. Жеке фотонға электромагниттік толқынды сипаттайтындай электр өрісі кернеулігін сәйкестендіруге болмайды. Алайда фотонды әрбір уақыт мезетінде кеңістікте белгілі орын алып тұратын, демек, белгілі траектория бойынша қозғалатын нүктелік объект түрінде де елестетуге болмайды. Өйткені мұндай көрініс электромагниттік сәуленің толқындық қасиеттеріне байланысты тәжірибе деректеріне қайшы келеді. Фотонның кеңістіктің қандай да бір нүктесінде болуы жайындағы көріністің мағынсы болуының тағы бір себебі, ол тыныштықта бола алмайды және жарық жылдмдғымен қозғалады. Фотонды классикалық бейнелермен кескінделетін модель түрінде көзге елестетуге болмайды. Фотон-кванттық объект. жүктеу/скачать 335,58 Kb. Достарыңызбен бөлісу:
|