Фізіка. 11 клас

Слоўца гучнае заўсёды
З цяжкасці вас выводзіць!
І. Гётэ."Фауст"

Пасля адкрыцця фатона ў навуковым свеце з новай сілай «успыхнула» старая дыскусія: так што ж такое святло — хваля ці паток часціц? Як «пагадніць» адно з адным гэтыя супярэчлівыя ўяўленні? Якія з гэтага вынікаюць высновы?

З законаў механікі вынікае, што цела пры ўдары аб некаторую паверхню аказвае на яе механічны ціск, абумоўлены змяненнем імпульсу цела. Прычым ціск цела на паверхню аказваецца ў выпадку як пругкага, так і няпругкага ўдару. А ці будзе ўзнікаць падобны эфект пры адбіцці і паглынанні святла некаторай паверхняй? Інакш кажучы, ці аказвае святло ціск на паверхню, з якой узаемадзейнічае? Пасля завяршэння пабудовы Максвелам хвалевай тэорыі святла адказы на гэтыя пытанні сталі відавочнымі. Святло як электрамагнітная хваля мае энергію і імпульс, таму аказвае ціск на паверхню, на якую яно падае.

Растлумачыць ціск святла можна наступным чынам (мал. 178-5). Электрычнае поле напружанасцю  электрамагнітнай хвалі, падаючай на паверхню правадніка, выклікае рух электронаў рэчыва пад дзеяннем электрычнай сілы ў напрамку, процілеглым . Магнітнае поле той жа хвалі індукцыяй  дзейнічае на часціцы, якія рухаюцца, з сілай Лорэнца , што ў дадзеным выпадку будзе накіравана ўнутр рэчыва (гл. мал. 178-5) і супадае з напрамкам распаўсюджвання святла. Сумарная сіла, якая дзейнічае на ўсе электроны з боку электрамагнітнай хвалі, і ёсць сіла ціску святла.

У 1873 г. Максвел вылічыў светлавы ціск, выкарыстаўшы распрацаваную ім тэорыю электрамагнітнага поля. Ён паказаў, што калі святло, якое падае перпендыкулярна да люстраной паверхні плошчай S=1м², прыносіць за прамежак часу Δt=1c  энергію , то яно аказвае на дадзеную паверхню ціск:

,

(1-1)

дзе c - хуткасць распаўсюджвання святла.

Ціск святла можна растлумачыць і з квантавага пункта гледжання. Разгледзім святло як паток фатонаў энергіяй hν, што падаюць нармальна на люстраную паверхню (мал. 178-6, а) і прыносяць за прамежак часу Δt=1c на плошчу  S=1м² энергію, роўную W .

Лік n гэтых фатонаў вызначаецца з умовы nhν=W : 

.

Адбіццё фатона ад люстра можна лічыць пругкім ударам, пры якім адбываецца змяненне напрамку імпульсу фатона на процілеглы (мал. 178-6, б). Модуль гэтага змянення:

.

Значыць, ціск святла на люстра:

,

што супадае з вынікам, атрыманым Максвелам.

Адзначым, што пры падзенні святла на чорную паверхню (якая цалкам паглынае) змяненне імпульсу будзе ў 2 разы меншым, паколькі:

.

Значыць, ціск святла на чорную паверхню:

.

Рускі фізік Пётр Мікалаевіч Лебедзеў у 1899 г. упершыню вымераў светлавы ціск. Ён падвесіў на тонкай нітцы каромысел з парай крылцаў на канцах (мал. 179): паверхня ў аднаго з іх была зачэрненай, забяспечваючы амаль поўнае паглынанне, а ў другога — люстраной, забяспечваючы поўнае адбіццё. Падвес з крылцамі ўтварыў адчувальныя круцільныя вагі, змешчаныя ў пасудзіну, паветра ў якой было адпампавана.
Святло практычна цалкам адбівалася ад люстраной паверхні, і яго ціск на люстраное крылца быў удвая большы, чым на зачэрненае. З прычыны гэтага ствараўся момант сіл, які паварочваў каромысел (гл. мал. 179). Вымяраючы вугал павароту каромысла, можна было меркаваць аб сіле, якая дзейнічала на крылцы, а такім чынам, вызначыць светлавы ціск.

Вымярэнні Лебедзева далі велічыню светлавога ціску, якая стасуецца з тэорыяй Максвела з хібнасцю да 20 %. У 1923 г. нямецкі фізік Вальтэр Герлах, выкарыстаўшы больш дасканалыя метады атрымання вакууму, паўтарыў доследы Лебедзева. Яму ўдалося атрымаць вынікі, якія ўзгадняліся з тэарэтычнымі значэннямі з хібнасцю да 2 %.

Факт існавання светлавога ціску мае вялікае значэнне, паколькі даказвае наяўнасць у святла не толькі энергіі, але і імпульсу. Гэта сведчыць аб матэрыяльнасці электрамагнітнага выпраменьвання, якое ўяўляе сабой яшчэ адну форму існавання матэрыі — у выглядзе электрамагнітнага поля.
Да таго ж з часоў І. Ньютана і Х. Гюйгенса (XVII ст.) уяўленні аб прыродзе святла былі супярэчлівыя. Адны вучоныя на чале з Ньютанам лічылі святло патокам часціц — карпускул (ад лац. corpusculum — маленькая часціца), іншыя следам за Гюйгенсам меркавалі, што святло ўяўляе сабой не што іншае, як хвалі.
Да пачатку XIX ст. абодва пункты гледжання адстойваліся са зменным поспехам. Так, зыходзячы з гіпотэзы аб карпускулах, можна было растлумачыць законы прамалінейнага распаўсюджвання і адбіцця святла, а такія з’явы, як інтэрферэнцыя, дыфракцыя святла, тлумачыліся толькі яго хвалевымі ўласцівасцямі.
Аднак у XX ст. было вызначана, што ў цэлым шэрагу з’яў, такіх, напрыклад, як фотаэфект, святло паводзіць сябе як сукупнасць часціц з пэўнай энергіяй і імпульсам. Адначасовая наяўнасць у аб’екта хвалевых і карпускулярных уласцівасцей атрымала назву карпускулярна-хвалевага дуалізму.
У адных працэсах у большай меры праяўляюцца хвалевыя ўлас­цівасці святла, у іншых — карпускулярныя. Доўгі час прырода гэтага дуалізму была зусім незразумелай, і ён здаваўся штучным аб’яднаннем супярэчлівых уласцівасцей матэрыі.

Толькі пасля стварэння квантавай механікі высветлілася, што «раздвойванне асобы» святла заканамерна і ўяўляе сабой праяву спецыфічных уласцівасцей, характэрных мікрасвету ў цэлым.
Французскі фізік Луі дэ Бройль у 1923 г. выказаў адважную здагадку, што карпускулярна-хвалевы дуалізм павінен мець месца для ўсіх мікрааб’ектаў.
У 1927 г. гіпотэза дэ Бройля аб наяўнасці хвалевых уласцівасцей у электрона і іншых мікрачасціц была праверана эксперыментальна, калі амерыканскія фізікі Клінтан Дэвісан
і Люстэр Джэрмер упершыню назіралі дыфракцыю электронаў на крышталі нікелю. На малюнку 180 прадстаўлена сучасная фатаграфія дыфракцыі электронаў на слюдзе.Сучасныя эксперыменты дазваляюць пасля­доўна назіраць працэс утварэння дыфракцыйнай карціны пры павелічэнні ліку электронаў, якія праходзяць праз шчыліну. Камп’ютарнае мадэляванне гэтага працэсу прадстаўлена на малюнку 181. З яго відаць, што пры павелічэнні ліку электронаў усё больш выразна фарміруюцца дыфракцыйныя максімумы (гл. мал. 181, в).
Здольнасць да інтэрферэнцыі і дыфракцыі была выяўлена не толькі ў электронаў, але і ў іншых часціц — пратонаў, нейтронаў і альфа-часціц.
Хвалевыя ўласцівасці часціц знайшлі сваё прымяненне ў электроннай оптыцы, якая займаецца даследаваннем, пабудовай і выкарыстаннем электронных пучкоў для атрымання відарысаў.
Так выкарыстанне хвалевых уласцівасцей пучка электронаў дазволіла стварыць новае пакаленне мікраскопаў — электронныя мікраскопы (мал. 182), якія значна перавышаюць па ступені павелічэння аптычныя мікраскопы.
Такім чынам, карпускулярна-хвалевы дуалізм уласцівы не толькі святлу, але і любым часціцам. У адпаведнасці з ім выкарыстоўваюцца як хвалевыя, так і карпускулярныя ўяўленні, у залежнасці ад пэўнай сітуацыі.

 

Нягледзячы на параўнальна малое значэнне светлавога ціску пры звычайных умовах, ён адыгрывае істотную ролю ў прыродзе. У 1604 г. нямецкі астраном Іаган Кеплер растлумачыў выгнутую форму хваста каметы (мал. 183) дзеяннем сіл светлавога ціску з боку Сонца (мал. 184). Акрамя таго, менавіта ціск святла «знутры» перашкоджвае гравітацыйнаму сцісканню зорак, ён скарачае тэрмін службы штучных спадарожнікаў Зямлі з прычыны паступовага памяншэння радыусу іх арбіты. У наш час актыўна абмяркоўваюцца і рэалізуюцца праекты касмічных караблёў — «паруснікаў», якія рухаюцца дзякуючы «сонечнаму ветру». Ужо першы электронны прасвечваючы мікраскоп (Э. Руска, 1933 г.) дазваляў вывучаць дэталі, у дзесяць разоў драбнейшыя, чым тыя, якія можна было адрозніваць праз самыя «магутныя» аптычныя мікраскопы. Далейшыя даследаванні дазволілі супрацоўнікам лабараторыі фірмы IBM у Цурыху (Швейцарыя) Г. Бінінгу і Г. Рорэру ў 1981 г. стварыць электронны сканіруючы тунэльны мікраскоп, які дазваляе разгледзець нават «асобны» атам. Група спецыялістаў Такійскага ўніверсітэта 4 лістапада 2010 г. упершыню ў гісторыі пры дапамозе электроннага мікраскопа здолела «сфатаграфаваць» самы лёгкі і самы маленькі атам — атам вадароду (мал. 185).

У 1929 г. Луі дэ Бройль за адкрыцце хвалевай прыроды электрона быў узнагароджаны Нобелеўскай прэміяй па фізіцы. У 1986 г. Герду Бінінгу і Генрыху Рорэру разам з Эрнстам Руска была прысуджана Нобелеўская прэмія па фізіцы за стварэнне электроннага мікраскопа.