Informe del experimento del efecto fotoeléctrico
Supongamos que hay una fuente de luz S1 y se coloca una pantalla frente a S1. La luz (fotones) emitida desde S1 iluminará toda la pantalla de manera uniforme. Sabemos que el brillo de la pantalla está relacionado con la cantidad de fotones que caen sobre la pantalla. Estrictamente hablando, el brillo de la pantalla se oscurece gradualmente alrededor de la intersección de la luz perpendicular a la pantalla y la pantalla. Pero este cambio no es en absoluto una cuestión de casualidad. La prueba es la siguiente: coloque S1 en el centro de una esfera con radio R1, suponiendo que S1 emite N fotones por unidad de tiempo, entonces el número de fotones recibidos en el área unitaria de la esfera es igual al número de fotones N dividido por el área total de la esfera 4πR12, si el radio de la bola se cambia de R1 a R2 (R2>R1), entonces el número de fotones recibidos en el área unitaria de la esfera se convierte en N dividido por 4πR22 ya que R2 es mayor que R1. , la esfera con el radio R1 tiene un radio mayor en la unidad de área de la esfera. El número de fotones aceptados en la bola es mayor que el número de fotones por unidad de área de la bola R2. Es por eso que el brillo de la pantalla cambia gradualmente de claro a oscuro. Cuando la distancia entre la pantalla y la fuente de luz es grande y el área de la pantalla es pequeña, se puede considerar aproximadamente que los fotones en la pantalla están distribuidos uniformemente.
Ahora coloque otra fuente de luz coherente S2 cerca de S1 y la situación habrá cambiado. En el plano perpendicular a las dos fuentes de luz, aparecen anillos de luz y oscuridad alternantes, y en el plano paralelo a las dos fuentes de luz, aparecen franjas de luz y oscuridad alternas, como se muestra en la Figura 1. Esto es lo que la gente llama franjas de interferencia. de luz. Debido a que el fenómeno de interferencia es la característica principal de las ondas, ésta se ha convertido en una de las evidencias más contundentes de que la luz tiene propiedades ondulatorias. Sabemos que las ondas mecánicas son la propagación de vibraciones en el medio. Cuando hay dos columnas de fuentes de ondas coherentes, la vibración en cualquier punto del medio es la superposición de las ondas cuando las dos columnas de ondas llegan a ese punto. Cuando las fases de las dos ondas que llegan a este punto son iguales, la amplitud en este punto es máxima. Si las fases de las dos ondas difieren en 1800, las amplitudes de las vibraciones se anulan entre sí, formando así franjas de interferencia regulares. . La óptica clásica utiliza el método de ondas mecánicas para probar las franjas de interferencia de la luz. Sin embargo, se ha demostrado que el éter, el medio que propaga la luz, no existe en absoluto. la luz parece descabellada. La mecánica cuántica utiliza el método de las ondas de probabilidad para explicar las franjas de interferencia. Se cree que los lugares brillantes son lugares donde los fotones parecen más probables y los lugares oscuros son lugares donde los fotones parecen menos probables. El problema es que cuando hay una sola fuente de luz, los fotones se distribuyen uniformemente en la pantalla. Cuando hay otra fuente de luz coherente, según la teoría cuántica, los fotones aparecerán concentrados en algunos lugares y no irán a otros. La explicación de la probabilidad no se puede utilizar. La gente la acepta con sinceridad. Einstein expresó una vez su disgusto por utilizar probabilidades para describir el comportamiento de partículas individuales diciendo que Dios no juega a los dados. Estos son los dos métodos ortodoxos para explicar el fenómeno de interferencia de la luz en la actualidad. ¿Existen otros factores en nuestra comprensión de la naturaleza de la luz que no hayamos considerado? ¿Existen otros métodos de prueba para unificar la dualidad onda-partícula de la luz, es decir, utilizar una explicación teórica para explicar la naturaleza ondulatoria y la naturaleza partícula?
Para encontrar esta nueva teoría, tenemos que hacer algunas correcciones necesarias sobre la base de la teoría cuántica de luz existente, es decir, la energía de un solo cuanto de luz cambia, y la energía y la masa de. Los fotones se convierten entre sí. La frecuencia de transformación es la frecuencia de la luz. Los fotones con frecuencias rápidas tienen alta energía y poca masa. Por el contrario, los fotones con frecuencias lentas tienen baja energía y gran masa. De esta manera, la distancia recorrida por los fotones en el espacio forma una trayectoria ondulatoria. Antes de demostrar el fenómeno de interferencia de la luz, primero definimos la fuente de luz. Fuente de luz puntual de frecuencia única: la frecuencia es única y todos los fotones están en el mismo estado (fase) al salir de la fuente de luz. La fuente de luz puntual de frecuencia única tiene dos características: en primer lugar, en una determinada posición espacial desde la fuente de luz, el estado del fotón no cambia con el tiempo. El estado de los dos fotones cambia periódicamente con la distancia desde la fuente de luz puntual. La longitud de onda de la luz se refiere a la distancia que recorre un fotón a través del espacio en un período de tiempo.
Establecemos dos fuentes de luz puntuales S1 y S2 en el eje x, como se muestra en la Figura 1. Sea P un punto en el plano vertical, y la diferencia de trayectoria óptica PS1-PS2 desde el punto P a S1 y S2 es un múltiplo positivo de la longitud de onda ml (m=±1, 2, 3,...). Las dos columnas de fotones que parten de S1 y S2 llegarán al punto P en la misma fase y en el mismo estado.
Sea Q otro punto en el plano vertical, y la diferencia de trayectoria óptica de Q a S1 y S2 también es ml. Dibuje una curva que pase por los puntos P y Q, de modo que las trayectorias de todos los puntos de la curva en el plano vertical pasen por Geometría Sabemos que esta curva es una hipérbola. Si imaginamos que esta hipérbola gira alrededor de la línea recta XO, barrerá una superficie curva, llamada hipérbola. Vemos que en cualquier punto de esta superficie curva, los fotones de S1 y S2 están siempre en la misma fase (la diferencia de fase permanece sin cambios. El estado de los fotones en cada punto de la superficie curva es cierto. El estado cambia periódicamente). . Dado que la longitud de onda de la luz es muy corta, este cambio periódico de fotones a lo largo de la superficie curva no se observa fácilmente.
De manera similar, dejamos que T sea otro punto en el plano vertical (no se muestra en la figura), y la diferencia de trayectoria óptica TS1-TS2 desde el punto T a S1 y S2 es l/2× de la longitud de onda. (2m 1) veces (m=±1, 2, 3,…). Las dos columnas de fotones que parten de S1 y S2 llegarán al punto T con una diferencia de fase de 1800. Sea V otro punto en el plano vertical (no se muestra en la figura), la diferencia de trayectoria óptica de V a S1 y S2 también es l/2×(2m 1) veces la longitud de la pista. Dibuje una curva que pase por T y V de modo que la diferencia de distancia entre cualquier punto de la curva y los dos puntos fijos S1 y S2 sea constante. Esta curva también es una hipérbola. Al girar con XO como eje, también se barrerá un hiperboloide. La diferencia es que la diferencia de fase entre los fotones de S1 y S2 que llegan a cualquier punto de esta superficie es siempre 1800, y el estado final después de la superposición es un valor constante.
La Figura 1 se dibuja bajo la situación simple de que la distancia de S1 a S2 es 3l, y la diferencia de trayectoria óptica del punto P es PS1-PS2=2l (m=2). La hipérbola con m=1 es el lugar geométrico de aquellos puntos en el plano vertical cuya diferencia de trayectoria óptica es l. La trayectoria de cada punto donde la diferencia de trayectoria óptica es cero (m=0) es una línea recta que pasa por el punto medio de S1S2. La rotación resultante alrededor de XO será un plano. La hipérbola con m= -1 y m= -2 también se dibuja en la figura. En este caso, estas cinco curvas giran alrededor de XO para producir cinco superficies curvas. Estas cinco superficies curvas dividen el campo de energía formado por las dos fuentes de luz S1 y S2 en seis espacios de energía simétricos que se extienden infinitamente. Aparecerán líneas brillantes en la pantalla dondequiera que esas curvas se crucen con los hiperboloides. Si la distancia entre dos fuentes puntuales es de muchas longitudes de onda, habrá muchas superficies curvas en las que los fotones individuales se reforzarán entre sí. Por lo tanto, en la pantalla se formarán muchas franjas de interferencia hiperbólicas (casi rectas) de luz y oscuridad alternas, paralelas a la línea que conecta las dos fuentes de luz. Se formarán muchas franjas de interferencia circulares claras y oscuras en la pantalla perpendiculares a la línea que conecta las dos fuentes de luz. La relación entre dos franjas brillantes adyacentes es que la diferencia de trayectoria óptica difiere en un litro, y la diferencia entre la franja oscura y la franja brillante adyacente es l/2. El cambio de fase entre franjas de interferencia de claro a oscuro y luego a claro es de en fase a 1800 de diferencia de fase y luego en fase.
Para probar si la suposición anterior es correcta, aquí diseñé un experimento simple que combina el experimento de interferencia de luz y el experimento de efecto fotoeléctrico. El primer paso es utilizar un interferómetro óptico para generar franjas de interferencia alternas de luz y oscuridad. El segundo paso es colocar los tubos fotoeléctricos en diferentes posiciones, desde franjas brillantes hasta franjas oscuras en secuencia. Por supuesto, la frecuencia de la fuente de luz monocromática utilizada debe estar por encima de la frecuencia crítica para observar la cantidad de energía cinética del fotoelectrón generada. Según la teoría cuántica de la luz existente, la energía cinética de los fotoelectrones debería permanecer sin cambios. La razón es que la energía de los fotones sólo está relacionada con la frecuencia de la luz y no tiene nada que ver con el brillo de la luz. cambian después de la interferencia, por lo que al cambiar de claro a oscuro en las franjas, la energía cinética medida de los fotoelectrones debe ser constante. Analizando desde la perspectiva de la teoría cuántica, la probabilidad de que aparezcan fotones en lugares brillantes es alta y la probabilidad de que aparezcan fotones en lugares oscuros es pequeña. La única diferencia entre la luz y la oscuridad es la cantidad de fotones por unidad de área. de fotones no ha cambiado, por lo que la conclusión es que también la energía cinética de los fotoelectrones es constante. Mi conclusión es que el número de fotones en las franjas de interferencia de brillante a oscuro es el mismo, y la energía cinética de los fotoelectrones generados cambia continuamente de mayor a menor.
Si los resultados del experimento son consistentes con la inferencia que hice, también podríamos extender esta conclusión a todas las partículas físicas, porque las partículas físicas también tienen dualidad onda-partícula, es decir, la energía de todas partículas físicas y Las masas cambian constantemente entre sí. Esta es exactamente la imagen objetiva de la realidad de las partículas en el mundo microscópico que la función de onda de la mecánica cuántica quiere describir.