Квантовая электроника - Пирс Дж.
Скачать (прямая ссылка):
Мир нашего непосредственного восприятия заполнен явлениями, которые мы стремимся упорядочить, предвидеть, использовать. Мы обнаруживаем эти явления с помощью приборов, вспышек света, когда электрон сталкивается со слое%і флуоресцирующего вещества, нанесенного на стеклянную пластину, путем усиления слабых сигналов в хорошо слышимые звуки. Задача науки — сделать «понятными» для нас эти и многие другие явления; устанавливая количественные взаимосвязи между ними и предсказывая ход явлений. Наука не ищет ответа на такие, казалось бы, естественные вопросы, как проблема цвета и вкуса электрона.
В необъятном мире вокруг себя мы умеем наблюдать частицы — маленькие сгустки вещества. Умеем мы наблюдать и волны-. Они могут представлять собой колебания частиц вещества, как, скажем, з-вуковые волны или волны на воде. Но есть волны, которые представляют собой переменные электрическое и магнитное поля, движущиеся от точки к точке в пространстве. Электромагнитные волны, используемые в радио и телевидении, как раз и состоят из таких пульсирующих, перемещающихся в пространстве электрического и магнитного полей.
13 Наблюдая природные явления, мы можем освоиться с волнами и частицами, с их характером и поведением так же хорошо, как с ощущениями вкуса, осязания и цвета. Тогда, надо полагать, мы спросим, что такое электрон — частица или волна — и состоит ли свет из частиц (фотонов) ,или волн?
Нужны ли нам ответы на такие вопросы и в силах ли мы ответить на них? И насколько ответы будут близки к истине?
Свет — частицы или волны?
На фиг. 1 изображена схема одного из опытов, который мог бы помочь нам ответить на этот вопрос1. Слева, на достаточном удалении, расположен источник, испускающий свет какой-то одной частоты (или длины волны). Лучи света падают на пластинку, в которой прорезаны
Пластинка с двумя щелями
Удаленный источник света
Система ускорения и
фокусировки электронов \
Прозрачный фотоэмиттер
Флуоресцирующий экран
Фиг. 1.
две чрезвычайно узкие параллельные щели. Ширина их должна быть сравнимой с длиной волны света, то есть очень малой. Пройдя сквозь щели, свет попадает на так называемый фотоэмиттер — очень тонкий слой особого вещества, испускающий электроны всякий раз, когда на него падает свет. Электроны ускоряются, фокусируются и с большой скоростью ударяются в плоский флуоресцирующий экран. При каждом ударе электрона флуорес-
1 Опыт можно было бы осуществить и в таком виде, как показано. Но на практике его результат получают из данных ряда других, более простых экспериментов, описать которые не так Легко. Надо заметить далее, что щели, изображенные на фиг. 1, должны быть очень узкими (около десяти миллионных долей сантиметра в ширину) и располагаться очень близко друг .к другу.
14 цирующее вещество экрана испускает вспышку света. Таким образом, распределение электронов, выбитых из фотоэмиттера проникшим сквозь щели светом, воспроизводится на флуоресцирующем экране как распределение яркости свечения, или числа вспышек, в разных его точках. Если свет и в самом деле имеет волновую природу, то на экране должен возникнуть характерный «узор» в виде перемежающихся светлых и темных полос, параллельных щелям. Возникновение такого «узора» объясняется дифракцией и интерференцией волн — явлениями, присущими не только световым, но и вообще всем волнам.
При движении волны гребни и впадины проходят мимо датой точки в регулярном ритме, то есть с одной и той же частотой Гребни
Волна с некоторой скоростью движется вправо
Владины
Фиг. 2.
Когда волна проходит мимо наблюдателя, некоторая величина периодически увеличивается и уменьшается с определенным размахом — амплитудой. Эта строгая периодичность графически изображена на фиг. 2. В случае волн на воде хорошо видно, как максимум уровня воды, или гребень, следует за минимумом, или впадиной, за ней вслед снова идет гребень, снова впадина и т. д. Рассматривая картину волнового движения целиком, мы заметим, что гребни и впадины проходят мимо нас с некоторой постоянной скоростью, называемой скоростью распространения волны. Расстояние между соседними гребнями (или соседними впадинами) называется длиной волны, а число гребней (или впадин), проходящих мимо нас за одну секунду,— частотой волны. Следующие друг за другом максимумы и минимумы волны могут быть гребнями и впадинами, как у волн на воде, но могут быть и чем-нибудь другим. Например, в случае звуковой волны это
15 будут следующие друг за другом повышения и понижения давления воздуха, а в случае электромагнитной волны— последовательные изменения на противоположные направлений электрического и магнитного полей.
Но какой бы вид волнового движения мы ни взяли, всегда будет происходить следующее явление: если две волны одинаковой амплитуды наложатся друг на друга так, что гребни (максимумы) одной волны попадут на гребни другой, а впадины (минимумы) одной — на впадины другой, то получающаяся в результате общая волна, то есть сумма двух исходных, будет больше, чем любая из двух ее образовавших. Напротив, если гребни одной из волн попадут на впадины другой волны той же силы (амплитуды), то они погасят друг друга — дадут в сумме ничто!
