Корпускулярно-хвильовий дуалізм світла - студопедія
В кінці XIX століття було встановлено, що світло є поширюються в просторі електромагнітні хвилі. На основі загальних властивостей хвильових процесів пояснили такі оптичні явища як інтерференція світла, дифракція світла, поляризація світла і ін.
Однак, вже на початку ХХ століття при дослідженні взаємодії світла з речовиною було виявлено такі оптичні явища як фотоефект, ефект Комптона, фотохімічні реакції і ін. Для пояснення цих явищ уявлення про те, що світло є поширюються в просторі електромагнітні хвилі, виявилися неспроможними. Пояснюючи явище фотоефекту, в 1905 р Ейнштейн висунув корпускулярну теорію світла, яка, розвиваючи ідеї Ньютона про світлових корпускули, розглядала світло як потік великого числа частинок, названих фотонами. Фотонна теорія світла легко пояснила все якісні і кількісні закономірності явищ квантової оптики.
Уявлення про електромагнітну хвилю і уявлення про потік частинок виключають один одного. Світлова хвиля являє собою нелокалізованих електромагнітне поле, розподілене по простору. Густина енергії електромагнітного поля хвилі, пропорційна квадрату її амплітуди, може змінюватися на як завгодно малу величину, тобто безперервно. На відміну від хвилі, фотон, як світлова частка, в даний момент часу локалізований поблизу деякої точки простору і з часом переміщується в просторі. Світлова енергія в такій моделі змінюється не безперервно, а тільки дискретно, залишаючись завжди кратної мінімальної порції (кванта) енергії, яку несе одиночний фотон.
Виявилося, що світло є матеріальний об'єкт, що володіє як хвильовими, так і корпускулярними властивостями. У різних фізичних процесах ці властивості можуть проявлятися в різного ступеня. При певних умовах, тобто в ряді оптичних явищ, світло проявляє свої хвильові властивості. У цих випадках ми повинні розглядати світло як електромагнітні хвилі. В інших оптичних явищах світло проявляє свої корпускулярні властивості. і тоді його слід представляти як потік фотонів.
Існують оптичні явища, які можуть бути пояснені якісно і кількісно як хвильової, так і корпускулярної теоріями світла. Так, наприклад, обидві ці теорії приводять до однакових співвідношеннях для тиску, що чиниться світлом при падінні його на речовину. Це пояснюється тим, що будь-яка модель, і хвильова, і корпускулярна враховує наявність у світла таких матеріальних характеристик як енергія, маса, імпульс.
Отже, в результаті поглиблення уявлень про природу світла, з'ясувалося, що світло має двоїсту природу, що отримала назву корпускулярно-хвильового дуалізму світла. З деякими об'єктами світло взаємодіє як хвиля, з іншими - подібно до потоку частинок. І хоча ці картини навіть протилежні одна одній, одна картина доповнює іншу. "Протилежності не суперечили, а доповнення" - свідчить девіз Н.Бора.
Суперечка хвильової і корпускулярної теорії світла не привів ні до остаточної перемоги, ні до поразки будь-якої однієї з них. У цій суперечці народилося якісно нове розуміння природи світла, що об'єднує ці теорії в єдине ціле.
У фізиці світло виявився першим об'єктом, у якого була виявлена двоїста, корпускулярно-хвильова природа. Подальший розвиток фізики значно розширило клас таких об'єктів.
На закінчення зазначимо, що ще більш тісно хвилі і частинки світла можна зв'язати, якщо припустити, що рух фотона підпорядковується статистичним імовірнісним законам, які визначаються хвильовим електромагнітним полем. Дійсно, будемо вважати, що квадрат амплітуди електромагнітної хвилі, тобто її інтенсивність визначає в кожній точці простору ймовірність попадання в неї фотона і, отже, концентрацію фотонів в цій точці світлового потоку. Тоді явище інтерференції світла, що проходить через екран з двома щілинами, можна пояснити і з точки зору нової теорії світла. При падінні на екран однієї світлової хвилі ймовірність попадання фотона в різні точки екрану однакова, і ми спостерігаємо рівномірну освітленість екрана. При проходженні світла через дві щілини ймовірність попадання фотона в різних точках екрану змінюється. У місцях інтерференційних максимумів ця ймовірність різко збільшується, а в місцях інтерференційних мінімумів - зменшується. Тим самим, потік фотонів перерозподіляється в просторі і цим перерозподілом управляє хвильове поле.
Такий спосіб об'єднання корпускулярних і хвильових властивостей матеріальних об'єктів, коли за допомогою хвиль ми описуємо рух частинок, лежить в основі квантової механіки, до викладу основних положень якої ми приступимо в наступних розділах.