Механизм создания порядков при дифракции фотонов
Раимкулов Марат Нурдинович,
кандидат технических наук, старший научный сотрудник, ведущий научный сотрудник Института физико-технических проблем и материаловедения Национальной академии наук Кыргызской Республики.
Ранее при рассмотрении дифракции [1.Раимкулов М.Н.] было дано описание механизмов дифракции, но не было предложено объяснение того, почему появляются различные порядки дифракции и каковы механизмы появления этих порядков.
Рис. 1. Принцип появления порядков при дифракции фотонов.
Понятно, что нулевой порядок (при не предельно узкой щели) это фотоны, прошедшие на экран по прямой, т.е. без столкновений со стенками щели (Рис. 1) и фотоны, которые дифрагировали согласно принципа, описанного ранее и показанного ниже на рисунке 2.
Рис. 2. Дифракция фотонов на односторонней преграде.
Попробуем разобраться в том, как появляются другие порядки дифракции 1-й, 2-й, 3-й и т.д. Для этого разберем рисунок 1. Из этого рисунка видно, что какие-то фотоны отражаются от стенки щели только один раз и после этого сразу попадают на экран. Другие фотоны отражаются два раза от двух противоположных краев щели, могут быть и те, что отразятся трижды, четырежды или более раз от краев щели. Количество отражений от противоположных краев щели зависит от диаметра щели, толщины стенок щели, формы щели, структуры щели, а также от длины волны фотонов (или точнее от диаметров фотонов). Из рис. 1 видно, что количество отражений зависит от того куда, на какой участок щели, попадают фотоны. В зависимости от этого участка фотоны отражаются от края щели под различными углами. Это приводит к тому, что часть фотонов после первого отражения больше не сталкивается с краями щели и сразу попадает на экран. Другие фотоны отражаются под такими углами, что новая траектория движения заставляет их попасть на противоположный край этой же щели, отражение от которого также приводит к двум вариантам. Или фотоны после этого отражения направляются на экран, или попадают вновь на первую створку щели и т.д. Следует отметить, что чем больше отражений претерпевают фотоны, тем больший путь им приходится пройти до экрана. Чтобы понять, что это нам дает надо более детально вспомнить предложенную структуру фотонов. Ранее было описано, что фотоны имеют тороидальную структуру (Рис. 3):
Рис. 3. Вероятные структуры фотонов.
Почему предложены данные структуры и как они создаются было описано ранее [2. Раимкулов М.Н.], поэтому, в данном случае, мы сразу рассмотрим, как могут вести себя фотоны, имеющие подобные структуры при своем распространении и взаимодействии с объектами. Структуры фотонов состоят из того, что было названо первичными вихрями (Рис. 4):
Рис. 4. Виды первичных вихрей.
Первичные вихри это вращающиеся вдоль спирали или круга первичные элементы материи, названные физическими точками материи [3. Раимкулов М.Н.]. Это физические точки материи двух видов противоположных друг другу. Физические точки одного вида отталкиваются друг от друга, а разных видов притягиваются друг к другу [4. Раимкулов М.Н., 5. Раимкулов М.Н.].
Сами фотоны имеют собственное вращение, которое показано стрелкой в центре фотона (Рис. 3). Также вращаются физические точки вдоль траектории первичных вихрей (Рис. 4), их вращение показано стрелкой для первичных вихрей (стрелки на краю фотонов) (Рис. 3). На основе взаимодействия первичных и вторичных вихрей между собой было сделано описания электрических и магнитных сил. Этот факт далее будет нам важен.
Исходя из этого, попробуем понять, что в данном случае несет информацию о «фазе волны». Для этого вспомним, в каком случае мы получаем когерентное монохроматическое электромагнитное излучение, длину волны которого мы можем измерить. Такое излучение получается с помощью лазеров. Теперь разберем, каков процесс получения этого излучения. Как мы помним, под действием определенных сил происходит возбуждение активной среды, которая начинает излучать фотоны. Далее эти фотоны выбивают другие фотоны из атомов активной среды (аналогичной длины волны, а для нашего случая, аналогичного диаметра [6. Раимкулов М.Н.]), в этом процессе усиления генерации фотонов они многократно отражаются от зеркал оптического резонатора и через полупрозрачное зеркало одной из сторон резонатора покидают лазер, создавая когерентное монохроматическое излучение. При выбивании фотонов из атомов и при прохождении фотонов через полупрозрачное зеркало они, за счет столкновения с атомами вещества [7. Раимкулов М.Н.] приобретают вращение (Рис. 5):
Рис. 5. Вращение фотона: 1 – фотон; 2 – атом.
Для фотонов разных диаметров двигающихся (в вакууме) со скоростью С, несложно показать, что при столкновении с атомами (фотон 1.б) частота вращения ωi будет обратно пропорциональна их радиусам, а длина волны λi соответственно прямо пропорциональна их радиусам ri [8. Раимкулов М.Н.]. Это позволяет понять, почему фотоны имеют разную длину волны.
Каждый из фотонов обладает электрическим и магнитным вектором индукции. Причем как было показано ранее, магнитную индукцию создают вторичные вихри, т.е. вращение фотона вдоль стрелки, показанной в центре фотона на рисунке 3. В данном случае, предположение сводится к тому, что плоскость вращения магнитного вектора и воспринимается как фаза волны. При вращении фотона (Рис. 6) соответственно будет вращаться и магнитный вектор, а изменение его угла вращения и приводит к изменению фазы волны:
Рис. 6. Вращение векторов магнитной и электрической индукции фотона.
Как известно при дифракции возможен процесс интерференции отклоненных участков электромагнитной волны. Но перед тем как разобрать взаимодействие фотонов между собой разберемся, что означают темные и светлые полосы в интерференционной картине, или еще точнее вопрос можно сформулировать так: «Почему мы где-то видим свет (светлые полосы), а где-то света не видим (темные полосы)»? Каким бы сложным не казался вопрос на первый взгляд применительно к интерференции, ответ оказывается довольно прост: «Наш глаз (или любой другой приемник света) видит свет в определенном месте тогда, когда из этого места в него попадают фотоны». Если фотоны из соответствующего места не попадают в глаз, это означает, что в этом месте нет фотонов, направленных в глаз (приемник света). Т.е. это место не излучает или, например, не отражает фотоны в сторону глаза. В случае если мы смотрим на черную полосу в интерференционной картине, под всевозможными углами и не фиксируем там наличие фотонов света, то это означает только одно – там их нет!
Теперь попробуем понять как изменение фазы волны или, применительно к нашему подходу, вращение плоскости фотона, а с ним и вектора магнитной индукции влияет на взаимодействие фотонов между собой. Ранее при описании магнитного взаимодействия, рассмотренного на основе предложенных структур, было показано, что в случае вращения векторов магнитной индукции в одном направлении (например, для проводников с током) притягивает их, а в случае вращения векторов магнитной индукции в противоположных направлениях наоборот отталкивает их [9. Раимкулов М.Н.] (Рис. 7):
Рис. 7. Взаимодействия фотонов:
а) притяжение; б) отталкивание; в) слабое притяжение; г) слабое отталкивание.
Аналогично такому магнитному взаимодействию, в случае если вращение векторов магнитной индукции соседних фотонов происходит в одном направлении, также будет притягивать их. И соответственно при вращении векторов магнитной индукции в противоположных направлениях будет отталкивать фотоны. Если же фотоны встречаются под некоторым углом друг к другу, то притяжение или отталкивание, вероятно, будет не таким значительным.
Теперь имея в виду предложенную структуру фотонов, причину наличия темных и светлых полос интерференционной картины, взаимосвязь фазы с вектором магнитной индукции, зависимость длины волны от радиусов фотонов и взаимодействие магнитных векторов фотонов между собой разберем вероятный механизм интерференции двух плоских электромагнитных волн (Рис. 8):
Рис. 8. Механизм интерференции плоских
волн
.
На рисунке: А и Б – это направления движения фотонов от источников предметной и опорной волны. Из данного рисунка, согласно принципу притяжения и отталкивания приведенному на рис. 8, видно, что в зонах I, II, IV и V фотоны притягиваются, а в зоне III– отталкиваются. Это означает, что в зонах I, II, IV и V фотоны присутствуют, а в зоне III – отсутствуют, что в результате создает на экране светлые и темные полосы интерференционной картины [7. Раимкулов М.Н.].
Таким образом, разобрав все вышеперечисленные процессы, мы можем вернуться к пониманию механизма появления порядков при дифракции луча на щели. Из рисунка 1 видно, что в зависимости от того, куда, в какую часть щели, попадают фотоны, они попадают на экран в разные места. Причем основу нулевого порядка составляют фотоны, прошедшие без столкновения со стенками щели, основу первого порядка составляют фотоны, которые отразились от стенок щели только один раз, основу второго порядка составляют фотоны, которые отразились от стенок щели два раза и т.д. Именно на основе такого принципа дифракции получается картина распределения фотонов после прохождения через две узкие щели, которую наблюдал профессор А. Зейленгер из Австрии [10. Раимкулов М.Н.]. Эта картина получалась на экране, способном фиксировать и запоминать информацию о попадании одиночных фотонов на то или иное место в нем. Именно одиночными фотонами бомбардировались две узкие щели, которые, тем не менее, создавали интерференционную картину (Рис. 9):
Рис. 9. Фотография дифракционной картины фотонов.
Из этого рисунка, который является фотографией экрана фиксировавшего попадающие на него одиночные фотоны, видно, что между фотонами, попадающими на экран плотно друг к другу, создавая яркие полосы, также имеют место и редкие фотоны, попадающие между этими полосами. Т.е. мы не можем сказать, что поток фотонов отразившихся один раз от створок щели и поток фотонов, отразившиеся два раза не будут пересекаться. Напротив, с большой долей вероятности, проиллюстрированных на рисунке 9, часть фотонов отразившихся один раз и часть фотонов отразившихся два раза будут попадать на экран между яркими полосами создаваемой интерференционной картины. Это опять будет зависеть от различных параметров щели и от длины волны проходящего света. Также имеет смыл отметить случай, когда щели предельно узкие, т.е. узкие на столько, что фотоны практически не могут пройти через нее не сталкиваясь с одной из стенок щели. В этом случае прямо проходят единицы фотонов попавшие на щель боком, остальные же фотоны, сталкиваясь со стенками щели, дифрагируют в соответствии с механизмом, проиллюстрированным на рисунке 2. Вероятнее всего именно дифрагированные фотоны от двух предельно узких щелей и создали картину, показанную на рисунке 8. В этом случае фотоны от обеих створок щели дифрагируют вправо и влево от щели. Тогда центральная, наиболее насыщенная фотонами полоса, складывается из фотонов дифрагированных от левой щели вправо и от правой щели влево. Правая и левая полосы насыщенные фотонами образуются из фотонов дифрагированных влево из левой щели и вправо из правой щели. А единичные фотоны, попавшие на экран между яркими полосами это те отдельные фотоны, которым удалось пролететь прямо через эти две щели. То небольшое количество фотонов, которые попали на экран правее правой полосы и левее левой полосы, это вероятно фотоны, отразившиеся от створок щели один раз (создававшие первый порядок на рисунке 1) и создающие второй порядок дифракции в данном случае (на рисунке 9). Это значит, что если мы будем рассматривать только то, куда способны попасть фотоны, то мы можем не получить четкую картину из черных и светлых полос. Это также означает, что должен присутствовать еще какой-то механизм, который распределяет более четко поток фотонов по светлым и темным полосам. И поскольку, выше уже был описан механизм интерференции, то мы можем предположить, что именно этот механизм оказывает влияние при дифракции потока фотонов на щели (Рис. 1). Как это происходит?
Выше было отмечено, что для фотонов прошедших без столкновения со створками щели, фотонов, отразившихся только один раз, фотонов, отразившихся два раза, фотонов, отразившихся три раза и т.д. длина пути будет значительно отличаться. Это означает, что различными будут и фазы фотонов попадающих на экран. Из теории нам известно, что при взаимодействии двух потоков электромагнитной волны, приходящих на экран в противофазе, они вычитаются и наоборот приходящих в одной фазе складываются. Этот же процесс сложения и вычитания или, для нашего случая, притяжения и отталкивания был показан при рассмотрении механизма интерференции фотонов, проиллюстрированного на рисунке 8. Таким образом, в тех местах на экране, где пересекаются два потока фотонов с различными фазами (зоны Z), они создают интерференционную картину, которая дает темные полосы (зоны Z) и светлые полосы. Эти светлые полосы и есть порядки дифракции (зоны 0, 1, 2, …).
Вывод
Таким образом, делая короткое заключение, мы можем сказать, что механизм дифракции и распределения фотонов по различным порядкам дифракции происходит благодаря отражению фотонов от стенок щели и механизму интерференции фотонов.
Литература
1. Раимкулов М.Н., Сатыбаев Р.А. Механизм дифракции фотонов // Труды международного семинара «Оптика и фотоника 2012», Иссык-Куль, 12-14 сентября 2012, с. 57-62.
2. Раимкулов М.Н. Фотоны и структура элементарных частиц. // Журнал научных публикаций аспирантов и докторантов г.Курск (Россия) № 2, 2014, с.304-312.
3. Раимкулов М.Н. Новый взгляд на элементарные частицы или принцип создания материи. // Журнал: Известия НАН, №3, 2010 с. 106-110.
4. Раимкулов М.Н. Взаимодействие физических точек в первичных вихрях. // Журнал: Физика, №1, 2010, с.173-176.
5. Раимкулов М.Н. Поведение физической точки в первичном вихре. // Журнал: Физика, №1, 2010, с.177-179.
6. Раимкулов М.Н. Фотонная структура элементарных частиц. // 2 Международная конференция «Оптика и фотоника – 2013», г. Самарканд (Узбекистан), 25-27 сентября 2013 г., с.33-37.
7. Раимкулов М.Н. Механизмы поляризации и интерференции фотонов // 3 Международная научно-практическая конференция «Современные тенденции развития науки и технологий», г.Белгород, 30 июня 2015 г. с.21-30.
Электронный журнал eLIBRARY.RU. Режим доступа: http://elibrary.ru/contents.asp?issueid=1407804
8. Раимкулов М.Н., Кушманов А.Б. Взаимосвязь структуры, длины волны и размеров фотонов. // 2 Международная конференция «Оптика и фотоника – 2013», г. Самарканд (Узбекистан), 25-27 сентября 2013 г., с.30-33.
9. Раимкулов М.Н. Магнитные силы и их связь со структурой элементарных частиц. // Журнал: Физика №1, 2012, с.90-93
10. Раимкулов М.Н. Волновые свойства фотонов в опыте Зейленгера-Юнга // Труды международного семинара «Оптика и фотоника 2012», Иссык-Куль, 12-14 сентября 2012, с. 63-65.
Поступила в редакцию 30.01.2017 г.