Фотоны и концепция двойственности

Мы рассмотрели основные принципы, положенные в основу классической естественнонаучной парадигмы. При этом мы затронули вопрос о построении модели взаимодействия и обнаружили, что в зависимости от подхода к описанию взаимодействия, возможны разные представления о силе. Возможность взаимодополняющих пред­ставлений об одном и том же явлении составляет содержание принципа двойственности в естественных науках. В качестве еще одной иллюстрации принципа двойственности рассмотрим представление о свете.

Представление о свете складывались на протяжении всего существования человечества. Это не удивительно, если учесть, что около восьмидесяти процентов информации человек получает при помощи зрения.

Среди любопытных представлений о свете следует упо­мянуть возникшее в древней Греции представление о том, что свет возникает в результате раздражения специальных чувствительных органов, которые человек выпускает из глаз, ощупывая ими изучаемые предметы. Представление это возможно покажется вам менее наивным если вы сравните ощущения, возникающие в глазу, когда вы последовательно рассматриваете гладкую и шероховатую поверхности.

Повседневный опыт дал человечеству феноменологические законы прямолинейности распространения света, его преломления и отражения. Логическим следствием из них стало представление о световых лучах. Естественно было (и это сделал Исаак Ньютон) представлять световой луч в виде траектории потока невесомых световых частиц - корпускул.

Корпускулярная оптика просуществовала сравнительно недолго и не пережила ее создателя. Это произошло потому, что с ее помощью очень сложно было объяснить известные уже Ньютону эксперименты с дифракцией света, его интерференцией и разложением светового пучка в спектр.

Под дифракцией подразумевается совокупность явлений, происходящих при взаимодействии светового пучка с ограниченным количеством макроскопических препятствий.

Если рассматривать звезду в оптический телескоп, то ее изображение будет иметь вид маленького светящегося кружочка, окруженного несколькими светлыми кольцами. Эти кольца не соответствуют никакому реальному предмету. Они появляются в результате дифракции звездного света на деталях оптической системы телескопа.

Интерференцией света называют устойчивое перераспределение световой энергии в пространстве, возникающее в результате взаимодействия нескольких световых пучков.

Интерференционная картина представляет собой совокупность интерференционных минимумов и максимумов, имеющих вид цветных полос. На сегодняшний день явление интерференции широко используется в промышленности и стало, таким образом, элементом практики.

Разложение светового пучка в спектр (дисперсию света) наблюдал каждый, кто когда-нибудь видел радугу. Дисперсия света на призме была, по видимому, впервые описана Ньютоном в его лекциях по оптике, но даже он затруднялся дать ей вразумительное объяснение в рамках корпускулярной теории. Действительно, очень трудно понять, почему световой луч, создающий ощущение белого цвета, распадается на пространственно разделенные цветные лучи после того, как он пройдет через прозрачную призму.

Все эти явления достаточно хорошо описывала волновая оптика, у истоков которой стоял знаменитый английский физик Гук. Волновая оптика, к тому же, давала достаточно вразумительное объяснение прямолинейному распространению света.

К концу девятнадцатого века ее победу можно было считать полной и абсолютной. Именно представления волновой оптики прочно вошли в классическую парадигму наряду с механикой Ньютона и теорией электричества Максвелла. Однако открытие фотоэффекта и эффекта Комптона положило конец ее безраздельному господству. Оба этих эффекта удалось объяснить только исходя из представления о наличии световых частиц - фотонов. Особенно наглядно их существование было продемонстрировано знаменитым опытом Боте.

Рис.6

В опыте Боте два фотоприемника ф₁ и ф₂ размещались по разные стороны источника И. Источником являлось радиоактивное вещество. Оно испускало гамма-излучение, обладающее теми же свойствами что и видимый свет. Подобно видимому свету гамма-излучение способно испытывать интерференцию и дифракцию, но имеет гораздо большую частоту.

Если гамма-излучение представляет собой волну, то оба фотоприемника должны регистрировать каждый акт излучения. Если же каждый приемник срабатывает независимо от другого, то гамма-излучение имеет корпускулярную природу. В опыте Боте каждый приемник срабатывал независимо. Таким образом корпускулярная природа гамма-излучения была точно доказана, а корпускулярная природа видимого света доказана косвенно.

Так что же представляет собой свет - поток корпускул или волну? Принцип двойственности в физике предписывает рассматривать свет исходя из обоих этих представлений. Согласно современным воззрениям свет представляет собой поток фотонов - частиц, осуществляющих электромагнитное взаимодействие.

Фотоны, по видимому, самые легкие в мире частицы. Их масса покоя равна нулю. Они обречены на вечное движение. Более того, как учит нас частная теория относительности, скорость фотонов относительно любой системы отсчета одна и та же и приблизительно равна 300 000 000 м/с. И все же это настоящие частицы. Они могут сталкиваться с другими частицами, изменяя состояние их движения, а сталкиваясь с поверхностью металла, могут выбивать из нее электроны.

Такое явление называется внешним фотоэффектом. Фотоэффект часто используется в тех случаях, когда необходимо обнаружить предмет, не оказывая на него грубого механического воздействия. Турникеты метрополитена, датчики манипулятора “мышь” в вашем компьютере и органы “ося­за­ния” у современных роботов могут служить простейшими примерами технического применения фотоэффекта.

А как бы вы отнеслись к такому событию? Утром, собираясь на занятия, вы одеваете зеленый джемпер, смот­рите в зеркало и вдруг обнаруживаете, что он стал красным. Смотрите на себя - зеленый. В зеркало - красный.

Скажете: “Так не бывает”. Оказывается бывает. Но не с видимым светом, а с фотонами, выделяемыми при ядерных реакциях. Эти фотоны называют гамма частицами или гамма квантами. Гамма кванты обладают энергией намного большей чем фотоны, входящие в состав видимого света. Было обнаружено, что, когда фотоны сталкиваются со свободными, или практически свободными, электронами, они теряют часть своей энергии, передавая ее электрону. Фотон обладает энергией

E=hn

где h - постоянная Планка, а n - частота излучения. Он движется со скоростью света и обладает импульсом

Сталкиваясь с электроном (рис.7) фотон передает ему часть своей энергии и импульса, как это случается и с вами когда вы столкнетесь с кем-нибудь. В результате столкновения энергия фотона и его частота уменьшаются. Выражаясь образно он “краснеет”. Описанное явление называется “эффект Комптона” и считается одним из важнейших экспериментальных подтверждений корпускулярной природы света.