Kezdőlap


Cím:	A fény kettős természete
Szerző(k):	Jánossy Mihály
Füzet:	1989/április, 177 - 182. oldal	PDF \| MathML
Témakör(ök):	Szakmai cikkek

A szöveg csak Firefox böngészőben jelenik meg helyesen. Használja a fenti PDF file-ra mutató link-et a letöltésre.

A fény kettős természete¹

A fény természetének kérdése már régóta foglalkoztatja a tudományt. Mai ismereteink szerint a fénynek hullám és részecske tulajdonságai egyaránt vannak. Ezen áttekintésünk célja, hogy megnézzünk néhány olyan jelenséget, amely tipikusan mutatja a fény hullám, illetve részecske természetét. Ismertetni fogunk a fény természetével kapcsolatban elvégzett néhány kísérletet, majd kitérünk arra, hogy a fény részecskeelmélete tulajdonképpen pontosan mit állít.

A fényt gerjesztett, azaz energiával rendelkező atomok sugározzák ki, ezekben is a rezgést végző elektronok a fény forrásai. A fényről azt szokás mondani, hogy elektromágneses hullám. Mit kell ezalatt érteni? Vegyünk egy nyugvó elektront, az e körül kialakuló térben és időben állandó elektromos teret a jól ismert Coulomb-féle törvény alapján adhatjuk meg. Ha az elektron például egy pozitív töltésű atommaghoz kötve rezgőmozgást végez, a térerősség térben és időben változni fog. Az elektron elmozdulásakor a térerősség először a közvetlen közelben változik meg, majd ez a ,,zavar'' fénysebességgel továbbterjed a térben. Ennek eredményeként térben és időben változó elektromos teret kapunk, ami az atomból kiinduló hullámmal írható le. Az atomban mozgó elektron kis mágnesként is viselkedik, ebből következően a térben tovaterjedő mágneses térerősség hullámoknak is kiindulópontja. A fény így a térben hullámszerűen tovaterjedő elektromos és mágneses térerősség változás, amely hullámokban az elektromos és mágneses térerősség vektorok rezgési síkja egymásra merőleges. A hullámokban energia terjed, s ez az energia a szembe jutva hozza létre a látást.

A fény hullámtermészete

A hullámtermészet legkézenfekvőbb megnyilatkozása az interferenciajelenség. Ennek lényege az, hogy ha két azonos rezgésszámú hullám találkozik, akkor a hullámok között erősítés, illetve kioltás lép fel. Ha a hullámok közötti fáziskülönbség a félhullámhossz páros számú többszöröse, akkor hullámhegy hullámheggyel találkozik és erősítés jön létre, ha viszont a fáziskülönbség a félhullámhossz páratlan számú többszöröse, akkor hullámhegy hullámvölggyel találkozik és a hullámok kioltják egymást. Az interferenciajelenség fénnyel létrehozható, így ez minden kétséget kizáróan mutatja a fény hullámtermészetét.

1.ábra. A Michelson interferométer elvi
elrendezése. F fényforrás; SZ szűrő; FT félig-
áteresztő tükör;

T_{1}, T_{2}

tükör; E ernyő;

Δ S

úthosszkülönbség a

T_{2}

tükör elmozdulásakor

Nézzük meg a Michelson-féle interferométer működését, amit az 1. ábrán szemléltetünk. Az

F

fényforrásból, amely például egy gázkisülési cső, az

S Z

szűrő egyetlen spektrumvonal fényét engedi át. Ezt a fénynyalábot az

L

lencsével párhuzamossá tesszük. Az

F T

féligáteresztő tükör a fénynyalábot két részre osztja, az egyik fele átmegy, a másik visszaverődik. Az így nyert két fénynyaláb a

T_{1}

, illetve

T_{2}

tükrökről visszaverődik, majd ismét áthaladva

F T

-n, illetve visszaverődve róla egyesül és az

E

ernyőn létrejön az interferenciakép. A két nyaláb úthosszkülönbségétől függően az interferenciakép egy világos vagy sötét folt. Ha például a

T_{1}

tükröt kissé megdöntjük, az interferenciakép csíkokból áll, ha viszont széttartó nyalábot használunk akkor az interferenciakép koncentrikus gyűrűrendszer.

2. ábra. Az interferenciakép és a mért
I intenzitáselosztás

Egy tipikus interferenciaképet szemléltet a 2. ábra, a csíkok alatt a regisztrált fényintenzitás eloszlás látható. Az interferenciakép minőségének kvantitatív jellemzésére a láthatóság (

V

) kifejezést vezették be. Azonos intenzitású fénynyalábok interferenciája esetén

\begin{matrix} V = \frac{I_{max} - I_{min}}{I_{max} + I_{min}}; \end{matrix}

(1)

ahol

I_{max}

és

I_{min}

a 2. ábrán látható interferenciakép maximális, illetve minimális intenzitását jelenti. Az interferencia láthatóságának szélső értékei: teljes kioltás esetén

\begin{matrix} I_{min} = 0, V = 1, \end{matrix}

ha pedig nincs interferencia

\begin{matrix} I_{max} = I_{min}, V = 0. \end{matrix}

Így az interferenciakép

V

láthatóságát

0

és

1

közötti számokkal jellemezhetjük.
Végezzük el a következő kísérletet: a

T_{2}

tükröt az azonos úthosszúságú helyzetből mozgassuk el úgy, hogy a fénynyalábok egyre nagyobb

Δ S

úthosszkülönbséggel interferáljanak (1. ábra) és vizsgáljuk az interferenciakép láthatóságának változását. Ekkor a 3. ábrán látható eredményt kapjuk, a láthatóság értéke fokozatosan csökken, és tipikusan néhányszor

10

cm-es úthosszkülönbség esetén zérussá válik.

3. ábra. Az interferenciakép V kontrasztjának
változása a

Δ S

úthosszkülönbség függvényében

Ennek magyarázata az, hogy a fényforrásban az atomok egymástól függetlenül, kissé különböző rezgésszámú elemi hullámvonulatokat sugároznak ki, s csak ezen egyes hullámvonulatok önmagukkal való interferenciája adja az észlelt interferenciaképet. Egy ilyen hullámvonulat időtartama mintegy

10^{- 8} - 10^{- 9}

s, és ha túl nagy az úthosszkülönbség, akkor a hullámvonulat két fele már nem találkozik egymással az interferométerben, az egyik rész már elhaladt az interferencia helyéről, amikor a másik odaér. Ez a kísérlet mutatja az atomok elemi hullámvonulat formájában való fénysugárzását. Az egyes atomok által kisugárzott hullámvonulatok függetlenek egymástól. A lézer fényforrásokban az atomok sugárzása egymással kötötten, szinkronban történik, a fenti kísérletben egy megfelelően választott lézer fényforrás alkalmazása esetén az interferenciakép

V

láthatósága nem csökken a tükrök között haladó fénynyalábok úthosszkülönbségének növelése esetén.

A fény részecsketermészete

Az előzőekben vázolt interferenciajelenség minden kétséget kizáróan mutatja a fény hullámtermészetét. A fényelektromos jelenség, más néven a fotoeffektus azonban nem magyarázható a fény hullámtermészete alapján. A fotoeffektus lényege a következő: tekintsük a 4. ábrán lévő elrendezést, ahol a vákuumedényben lévő

F K

fémkatódot az

F

fénnyalábbal megvilágítjuk. Ekkor a katódból a fény hatására elektronok lépnek ki, amelyek elérik az

A

anódot és a

G

galvanométer áram folyását jelzi.

4. ábra. A fényelektromos jelenség;
F fénynyaláb, FK katód; A anód,
G galvanométer

A fotoeffektus tulajdonságait vizsgálva azt várnánk, hogy mennél nagyobb intenzitású fénnyel világítjuk meg a katódot, annál nagyobb energiájú elektronok lépnek ki. A megfigyelések szerint azonban ez nem így van, ugyanis mennél nagyobb a fény intenzitása, annál több elektron lép ki, de az energiájuk csak a fény rezgésszámától, azaz a színétől függ. Vizsgálatok szerint van egy minimális

ν_{0}

rezgésszámú fény, melynél kisebb

ν

rezgésszám esetén elektronok nem lépnek ki a fémből.

5. ábra. A fényelektromos jelenségnél kilépő
elektronok

E_{max}

maximális energiájának
függése a fény frekvenciájától

A kilépő elektronok maximális energiája viszont

ν_{0}

fölött a

ν

rezgésszám növelésével arányosan növekszik (5. ábra). A kilépő elektronok maximális energiája (

E_{max}

) és a

ν

frekvencia közötti összefüggés formája

\begin{matrix} E_{max} = h (ν - ν_{0}), \end{matrix}

(2)

ahol

h

a Planck-féle állandó, értéke

h = 6,626 \cdot 10^{- 34}

Js. Einstein a következő magyarázatát adta a fotoeffektusnak: a (2) képletet az alábbi formában írta fel:

\begin{matrix} h ν = A + E_{max} . \end{matrix}

(3)

Azt mondta, hogy a fény

h ν

energiával rendelkező részecskékből, fotonokból áll. Egy

h ν_{0}

-nál nagyobb energiájú foton a fémkatódra esve onnan elektronokat vált ki úgy, hogy a foton energiájának egy része a fémből való

A

kilépési munka legyőzésére fordítódik, míg a maradék adja a kilépő elektron

E_{max}

kinetikus energiáját. Ha pedig

h ν

kisebb mint az

A

kilépési munka, akkor elektron kilépés nem lehetséges, mivel a foton energiája nem elegendő a kilépési munka elvégzéséhez. Ilyen módon a fotoeffektus jelensége a fény, mint részecskékből, azaz fotonokból álló sugárzás alapján nyert magyarázatot.

Fotonkísérletek

Az 1950-es években a Központi Fizikai Kutató Intézetben Jánossy Lajos professzor vezetésével végeztek kísérletsorozatot a fény természetének tisztázása céljából. A kérdés az volt, hogy feloldható-e az az ellentmondás, hogy az interferenciajelenség kétségkívül mutatja a fény hullámtermészetét, a fotoeffektus viszont csak a részecsketermészet alapján érthető. A fotonokkal mint részecskékkel ugyanakkor az interferenciajelenség nehezen magyarázható.

6. ábra. A fény természetének vizsgálatára szolgáló
kísérleti berendezés vázlata. F fényforrás, SZ szűrő, L lencse,
FT féligáteresztő tükör,

F M_{1}, F M_{2}

fotoelektron-sokszorozó,
K elektronikus koincidenciakör, SZ számláló

A kísérletekkel a következő kérdésre keresték a választ: ha egy foton egy féligáteresztő tükörre esik, akkor mi történik vele, áthalad rajta, visszaverődik róla vagy esetleg szétszakad? A kérdés vizsgálatára szolgáló kísérleti elrendezés vázlatát a 6. ábra mutatja. Az

F T

féligáteresztő tükör által létrehozott két nyalábban haladó fotonok detektálására az

F M_{1}

, illetve

F M_{2}

fotoelektron-sokszorozó szolgál. A fotoelektron-sokszorozó működésének elve látható a 7. ábrán. Az

F K

fotokatódból kilépő fotoelektront elektromos tér felgyorsítja, s ez a következő elektródából (

D

diódából) másodlagos elektronokat vált ki. Ezeket ismét gyorsítva több lépés után az egyetlen fotoelektronból végül is egy elektronlavina jön létre, amit a fotoelektron-sokszorozó után tett számlálóberendezés

i

áramimpulzusként számlál. (Az elektródák közötti gyorsító elektromos teret előállító elektromos kapcsolást nem tüntettük fel az ábrán.)

7. ábra. Fotoelektron-sokszorozó működésének elve.
F fénynyaláb; FK fotókatód; D diódák; A anód;
i kimenő áramimpulzus

Ilyen módon lehet a fénynyalábokban haladó fotonokat észlelni, illetve számlálni. A 6. ábra kísérleti berendezésében a két fotoelektron-sokszorozó kimenetén megjelenő impulzusokat egy úgynevezett koincidenciakör (

K

) két bemenetére adjuk rá. Ez egy olyan elektronikus áramkör, amelyik akkor ad kimenőjelet, ha egy adott

τ

időn belül egyszerre mindkét bemenetre jel érkezik. A kimenő jel megjelenése esetén a berendezés két egyszerre beérkező impulzust, koincidenciát regisztrált, ezek számát az

S Z

számlálóval számláljuk.
A két nyalábban haladó fotonok általában véletlenszerűen váltanak ki fotoelektronokat. Előfordul azonban, hogy a két nyalábban haladó fotonok véletlenül egyszerre szólaltatják meg az

F M_{1}

és

F M_{2}

detektorokat, ezt véletlen koincidenciának nevezzük. A kérdés az, hogy a véletlen koincidenciákon felül észlelhetünk-e többlet koincidenciákat, amelyek hipotetikusan a féligáteresztő tükrön szétszakadt fotonokból származhatnának. A kísérletet először

τ = 10^{- 6}

s felbontóképesség esetén végezték el, s azt az eredményt kapták, hogy csak véletlen koincidenciák vannak, ezeken felül többlet koincidenciákat nem észleltek, legalábbis a mérés

0,3

%-os pontossága által megszabott mértékben. Ez az eredmény azt jelenti, hogy a fényforrás által kisugárzott fotonok a féligáteresztő tükrön vagy átmennek, vagy visszaverődnek, de nem szakadnak szét.
A 6. ábra kísérleti berendezését úgy módosítva, hogy a detektorok helyébe tükröket teszünk, Michelson interferométert kapunk. Felmerül a kérdés, hogy igen alacsony fényintenzitások esetén, akkor, amikor a Michelson interferométerben egyszerre csak egyetlen foton van jelen, fellép-e a fényinterferencia jelensége? Az ezen feltételnek megfelelő igen alacsony fényintenzitás esetén végzett kísérletben a fényinterferencia jelenségét észlelték és az interferenciakép intenzitáseloszlása és láthatósága nem különbözött attól, ami nagy intenzitásoknál kialakul. A kísérletet először

10

cm-es interferométer karhosszakkal végezték el, az interferencia azonban változatlanul fellépett akkor is, amikor a karhosszakat

14

m-re növelték.
A fotonkoincidencia és az alacsony intenzitású interferencia kísérlet együtt világosan mutatja a fény kettős természetét, a fénynek hullám- és részecsketulajdonságai egyaránt vannak.
A fotonkoincidencia kísérletet később megismételték

τ = 10^{- 9}

s felbontóképességgel, s ekkor mintegy 4 %-os koincidencia-többletet észleltek a véletlen koincidenciák számához képest. Ezt a jelenséget azonban mind a hullám, mind a részecske elmélet alapján meg lehet magyarázni. A hullámelmélet a fénynyalábot az egyes atomi hullámvonulatok összegzésével írja le, ahol az egyes hullámvonulatok egymással való interferenciája következtében erőteljes intenzitásingadozások lépnek fel, amelyek átlagos időtartama

10^{- 9}

s. Egy ilyen intenzitásmaximum idején megnő a fotoelektronok kiváltási valószínűsége, s ennek alapján elméleti számításokkal pontosan megadható az észlelt koincidenciaszám növekedés. A részecskeelmélet szerint előfordulhat, hogy az intenzitásmaximum környékén két foton van együtt a nyalábban. Egyik ezek közül visszaverődik a féligáteresztő tükörről, a másik áthalad rajta, s a két foton a két detektort egyszerre megszólaltatva hozza létre a többlet koincidenciákat.
Nemrégen kidolgozták az úgynevezett szemiklasszikus elméletet, ahol az anyagot a kvantumfizika törvényei alapján, a fényt pedig a klasszikus Maxwell-féle elektromágneses elmélet alapján tárgyalják. Ezen elmélet alapján a fotoeffektus pontos leírását sikerült megadni.
Ha megnézzük, hogy a fény kvantumelmélete pontosan hogyan épül fel, akkor azt látjuk, hogy az elmélet az elektromágneses tér összenergiáját elemi

h ν

nagyságú energiaadagokból építi fel, de nem állítja szigorúan, hogy ezek térben lokalizált, repülő részecskék. Az elmélet az összes fénnyel kapcsolatos észlelt jelenséget, az interferenciát is helyesen írja le. A foton mint lokalizált részecske ezen elmélet szemléletes képének tekinthető, de a jelenségek helyes leírásához mindig az egzakt elméletből kell kiindulni.
A fény kettős természete a fizikának egyik, ma még nem megoldott alapvető kérdéséhez kapcsolódik, ahhoz, hogy meddig alkalmazható a szemiklasszikus elmélet, s hol kell elhatárolnunk azon jelenségek körét, amelyek csak a tiszta kvantumfizika alapján érthetők meg.

IRODALOM

Jánossy Lajos; Náray Zsolt: A fény kettős természetére vonatkozó vizsgálatok,
Fizika Szemle 8. 1. (1958).

Jánossy Lajos; Náray Zsolt: Az interferenciajelenség intenzitás-függetlenségétől,
Magyar Fizikai Folyóirat 6. 105 (1958).

Jánossy Lajos: A fény kettős természetének problémája,
Természettudományi Közlöny 5. (92) 388 (1961).

¹Az 1988. évi Téli Ifjúsági Fizikai Ankéton elhangzott előadás.