Техника - молодёжи 1965-05, страница 20

видимо, можно отождествить с электромагнитной волной, которая распространяется и поглощается в пластинке ква-зиклгхсически. Итак, мы возвращаемся к представлению о том, что фотон переносится основной электромагнитной волной классического типа, но очень малой амплитуды, то есть волной-призраком, введенной А. Эйнштейном.

Радиоволны

Р адиоволны представляют собою со-■ вокупность очень длинных цугов волн, которые могут достигать сотен километров и переносить огромное количество фотонов. Кажется странным, что можно решить все проблемы распространения радиоволн, пользуясь исключительно уравнениями Максвелла, даже в области сверхвысоких частот до миллиметровых волн включительно. Такую широкую применимость классической волновой теории как будто трудно примирить с существованием фотонов. Теория двойного решения проясняет ситуацию, допуская существование основной электромагнитной волны, которая переносит фотоны и навязывает им свою фазу.

Рассмотрим радиоприемник, в одной из составных частей которого под действием распространяющейся радиоволны могут возбудиться колебания. Эта составная часть может быть антенной, колебательным контуром, полым резонатором и т. д. Предположим, что основная волна, переносящая фотоны, из-за слабости ее амплитуды не может возбудить в приемнике колебания. Однако переносимые ею фотоны находятся в фазе с ней и представляют собою как бы порции волны с очень большой амплитудой. Поглощение этих образцов волны порождает в приемнике периодические импульсы, которые могут вызвать в нем регулярные колебания. Это возбуждение колебаний в приемнике, происходящее в результате поглощения порций синусоидальной волны, является вполне классическим методом возбуждения колебаний. Подобная концепция строения радиоволн и их действия на радиоприемник стала возможной после разработки истолкования факта сосуществования волн и частиц на основе теории двойного решения.

Излучение света обычными источниками и лазерами

D обычных источниках света атомы (или молекулы) излучают независимо друг от друга довольно короткие цуги волн, длина которых, как говорят результаты опытов, равна примерно одному метру. Каждый подобный цуг во время своего испускания переносит только один фотон, возникший в результате квантового перехода одного атома или одной молекулы. Если взять источник света очень малой интенсивности, то свет, входящий в интерференционный прибор, будет нести по одному фотону. И в этом случае при достаточно продолжительном времени получаются те же интерференционные картины, что и для достаточно интенсивного света и малого времени излучения. Это доказывает, что каждый фотон способен интерферировать сам с собой.

Когда мы имеем дело с обычным источником высокой интенсивности, то цуги волн одинаковой частоты, излучаемые разными атомами-источниками, складываются друг с другом. Вышеизложенная концепция допускает, что именно суммарная волна ведет фотоны и навязывает им одинаковую фазу. Таким образом, между ними существует когерентность, но она является частичной и временной, потому что цуги основных волн излучаются только в течение лишь одной сотой доли микросекунды. Суммарная волна при этом все время обновляется, так как отдельные ее компоненты непрерывно появляются и исчезают.

Совершенно иными свойствами обладает свет, получаемый в последние годы с помощью лазеров Принцип действия лазеров, а также изобретенных несколько ранее мазеров основан на интересном явлении вынужденного излучения, идея которого вместе с идеей спонтанного излучения была выдвинута А. Эйнштейном в его известной рабо-_# те, опубликованной в 1917 году. С помощью лазеров удается получать очень длинный цуг световых волн, несущий большое количество фотонов, то есть

ЧАСТИЦЫ

-Свет можно считать \

ЧАСТИЦАМИ,.V*

цуг световых волн, структура которого больше похожа на структуру радиоволн, чем на волны, излучаемые обычными источниками света.

Изучение свойств лазеров обнаружило следующий замечательный факт: спонтанное излучение происходит без какого-либо взаимодействия атома излучателя с окружающей средой, оно совершенно беспорядочно, и отдельные кванты не зависят друг от друга. Вынужденное излучение, вызванное приходящим извне цугом волн, приводит к испусканию различными атомами когерентного пучка света. Можно сказать, что атомы отдают излучаемые ими фотоны проходящей через них основной несущей электромагнитной волне. Все фотоны, рождающиеся в результате вынужденного излучения, находятся, таким образом, в фазе с основной волной, которая их переносит. Это различие свойств спонтанного и вынужденного излучения не отмечалось А. Эйнштейном в его основополагающей статье, потому что последняя была посвящена излучению абсолютно черного тела, которое, по сути дела, является случайным и некогерентным.

Понятие когерентности фотонов, излучаемых совокупностью атомов, может быть определено лишь путем введения условия согласованности фазы фотонов с фазой волны (которая не обязательно является монохроматической и плоской). Следовательно, для объяснения когерентности этого рода необходимо привлечь гипотезу о существовании некоторого физически реального волнового по ля, которое присутствует в пространстве.

СЛОВАРИК ФИЗИЧЕСКИХ ТЕРМИНОВ

Апертура — выходное отверстие оптической системы. Определяется размерами и формой линз или диафрагмами.

Фотоэффект — испускание электронов с поверхности металлов под действием падающего пучка света. Скорость фотоэлектронов зависит только от частоты света. Интенсивность светового пучка роли не играет, она влияет лишь на число выбитых светом электронов. Фотоэффект невозможно объяснить, пользуясь законами классической механики.

Лишь квантовая теория внесла ясность в этот вопрос. Согласно уравнению Эйнштейна

mv²

hv ---1- А,

2

mv²

та света,

где hv энергия кван-

• кинетическая энергия выле-

рую затрачивает световой квант, чтобы выбить электрон из металла, h — постоянная Планка — константа, равная 1,054 • 10"~²⁷ эрг «сек.

Волновое уравнение. Каждая частица в квантовой механике описывается так называемой волновой функцией ЧГ, квадрат модуля которой дает вероятность нахождения частицы в точке х в момент времени t. Линейные уравнения, описывающие зависимость V -функции от х и t, называются волновыми уравнениями или уравнением Шредингера.

Волны де Бройля. Де Бройль предположил, что свойства света, который является одновременно волной и частицей (квант), присущи всем остальным видам материи. Корпускулярные (энергия Е и импульс Р) и волновые (частота х и длина волны характеристики частиц связаны соотношениями, аналогичными соотношениям Эйнштейна для световых квантов.

тевшего фотоэлектрона, А — работа, кото-

■ hv.

Эти уравнения называются условиями де Бройля.

Соотношение неопределенности Г^йзен-берга. Представьте себе, что вам необходимо измерить местоположение микрочастицы. Скажем, на частицу, которую мы считаем покоящейся, направлен микроскоп. В результате измерений мы будем знать ее коор динаты с неопределенностью порядка длины волны видимого света, то есть Д^ ^

Однако свет состоит из фотонов. Поэтому, когда мы рассматривали частицу, на нее должен был упасть миннмум один фотон В результате столкновения с ним частица приобретает импульс, равный импульсу фотона, то есть по условию де Бройля равный

ДР

h_

^: \

Из этих двух формул и получается знаменитое соотношение Гейзенберга Др»Дх^>Ь

16