Главная > Физика > Квантовая механика, Т.1
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

§ 6. Световые кванты и явления интерференции

Вся история развития оптики указывает, что классическая волновая теория правильно описывает опытные факты в макроскопических масштабах. В то же время, как мы видели, на микроскопическом уровне только корпускулярная теория можег объяснить типичные явления поглощения и рассеяния света, которыми соответственно являются фотоэлектрический эффекг и эффект Комптона. Следует поэтому выяснить, каким образом гипотеза фотонов может быть согласована с такими явлениями

как интерференция и дифракция света, которые имеют существенно волновой характер.

Рассмотрим для примера рассеяние пучка монохроматического света на параллельной дифракционной решетке (рис. 4). Подходящим образом расположенный экран позволяет выявить интерференционную картину. Количественное исследование явления может быть проведено разными способами — например, можно поместить на место экрана фотографическую пластинку и проявить ее после некоторого заданного времени облучения.

Рис. 4. Рассеяние света на решетке: S — источник света, R — дифракционная решетка, Р — фотопластинка. В случае б) правая половина решетки R устранена

В этом случае интерференционная картина на негативе проявится как потемнение отдельных участков пластинки, причем это потемнение пропорционально количеству падающего на эти участки света. В действительности поглощение света пластинкой происходит отдельными квантами: каждый фотон, проникая в пластинку, возбуждает светочувствительный микрокристалл, который при проявлении дает черную точку. Невооруженным

глазом нельзя разрешить отдельные точки, и мы наблюдаем более или менее темные области в зависимости от числа столкновений фотонов с пластинкой на единицу площади. Однако существование отдельных столкновений может быть выявлено, если рассматривать пластинку с помощью достаточно мощного микроскопа. В обычных условиях опыта число фотонов, падающих на пластинку, очень велико, так что квазинепрерывное распределение сенсибилизированных микрокристаллов дает обычную картину интерференции, предсказываемую волновой теорией.

Основываясь только на экспериментальных результатах, можно a priori отбросить все попытки объяснить явление интерференции в рамках чисто корпускулярной теории. Заметим прежде всего, что фотоны движутся в пространстве независимо друг от друга, их взаимодействие пренебрежимо мало. Действительно, интерференционная картина не меняется, если уменьшить интенсивность источника света и, соответственно, увеличить продолжительность облучения так, чтобы количество света, падающее на решетку, оставалось постоянным. Иными словами, если мы посылаем некоторое (очень большое) число N фотонов на решетку, то распределение сенсибилизированных точек на пластинке не зависит от группировки падающих фотонов; это справедливо и в предельном случае очень слабых интенсивностей, когда фотоны падают на решетку «по одному». То же самое распределение мы получим, если пошлем на решетку один-единственный фотон, а затем повторим этот опыт N раз.

Рассмотрим теперь проблему рассеяния фотона на решетке. Поскольку в условиях нашего опыта начальное состояние системы (фотон + решетка) точно не известно, не может быть и речи о том, чтобы определить траекторию фотона и, следовательно, точку удара фотона на пластинке; можно найти только статистическое распределение возможных траекторий и, соответственно, статистическое распределение точек удара. Экспериментально мы действительно наблюдаем статистическое распределение точек удара: оно соответствует закону распределения интенсивности света в интерференционной картине. Хорошо известно, что разрешающая сила решетки зависит от числа линий, ее образующих, причем чем больше линий, тем более тонкими оказываются световые полоски интерференционной картины; если убрать половину решетки, интерференционная картина существенно изменится. Именно в этом пункте корпускулярная теория оказывается в резком противоречии с экспериментом. Действительно, какими бы ни были уравнения движения каждого фотона при взаимодействии с частицами, составляющими решетку, распределение траекторий фотонов,

рассеянных левой половиной решетки, не может зависеть от присутствия (рис. 4, а) или отсутствия (рис. 4, б) правой половины решетки, если только не приписывать фотону размеры порядка размеров решетки. Если, кроме того, источник света и чувствительная пластинка достаточно удалены, распределения точек ударов фотонов, рассеянных обеими половинами, должны быть одинаковыми. При устранении, скажем, правой половины решетки измениться должна только интенсивность света, падающего на каждый участок пластинки, но не интерференционная картина. Опыт противоречит этим предсказаниям и заставляет нас признать, что в процессе рассеяния света принимает участие вся решетка целиком.

Гипотеза световых корпускул сталкивается с аналогичными трудностями во всех случаях интерференции или дифракции (задача 2). С помощью некоторого детектирующего прибора (экрана или фотографической пластинки) можно эффективно фиксировать прибытие фотонов одного за другим, но нельзя, не впадая в противоречие, приписать каждому фотону определенную траекторию. Таким образом, классическая доктрина, согласно которой всякая корпускула с течением времени непрерывно перемещается в пространстве, оказывается несостоятельной. На пути к детектирующему прибору свет распространяется как волна, корпускулярный аспект фотона проявляется только в момент детектирования.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление