Tűsugárzás és nagyszögű interferencia. I Selényi Pál 100 éves kísérletének időszerűsége. Varró Sándor MTA Szilárdtestfizikai és Optikai Kutatóintézet

Átírás

1 Tűsugárzás és nagyszögű interferencia. I Selényi Pál 100 éves kísérletének időszerűsége. Varró Sándor MTA Szilárdtestfizikai és Optikai Kutatóintézet

2 SELÉNYI PÁL és a KVANTUM-ELEKTRODINAMIKA Magyar Fizikus Vándorgyűlés Pécs, augusztus

3 On the Question of the Existence of Needle Radiation. The 100 years old first experiment on wide angle interference by Pál Selényi, and the modern concept of photons The 41 st Winter Colloquium on the Physics of Quantum Electronics. PQE-2011 January 2 6, 2011 Snowbird, Utah, USA

4 Vázlat. Motiváció. 100 év. Selényi kísérletének háttere. Selényi kísérletének jelentősége a kvantumfizika hőskorában [ J. J. Thomson, A. Einstein és a tűsugárzás ; needle radiation Nadelstrahlung, light darts, irányítottság, visszalökődés ]. Selényi kísérletének utóélete ; a Röntgen-tartomány [ Kossel-vonalak, Röntgen-holográfia ]. Selényi kísérletének utóélete az optikában; monomolekuráris vékonyrétegek fuoreszcenciája, megjegyzés a Hertz dipólról és a fénysebességről. Nem igazi tűsugárzás és igazi tűsugárzás ; szinguláris elektromágneses sugárzási vonalak [ Lokalizált elektromágneses sugárzási terek; a foton hullámfüggvényei. Köv. előadás márc. 22. ] -2 -

5 Selényi fundamentális kísérletének 100-ik évfordulója [ ] Paul Selényi, Über Lichtzersteuung im Raume Wienerscher Interferenzen und neue, diesen reziproke Interferenzerscheinungen. Annalen der Physik 35, (1911) Otto Wiener Selényi Pál Selényi Pál-tól : A WIENER-FÉLE ÉS A RECZIPROK INTERFERENCZIA-JELENSÉGEKRŐL. Mathematikai és Természettudományi Értesítő. 29, (1911). (Az M. T. Akadémia III. osztályának 1911 január 16-án tartott üléséből.) -3 -

6 P. Drude és W. Nernst munkája [ 1892 ] O. Wiener applied [1890] photographic plates as indicators. At the interference maxima the electric field of the light makes the maximum blackening. (The present figures have been scanned from a scientific dissemination paper from 1958, written by Dierick Kossel.) P. Drude and W. Nernst had the idea to cover the indicator plate with a fluorescent layer [1892]. At the maxima in the standing wave pattern, a strong radiation is excited, and the fringes can be clearly seen. Here the emphasis still was on the observation of the standing waves, and not on the study of self-interference of the elementary radiations.

7 A Selényi által 1911-ben használt techika és kísérleti elrendezés. -4 -

8 Ily módon a Mathematikai és Physikai Társulat február 23-i ülésén egy egyáltalán nem elsötétített előadóteremben is be tudtam mutatni ezeket az interferenciajelenségeket November 17. [ Dunaadony ] március 21. [ Budapest ]

9 A foton nagyszögű interferenciája [ Selényi,1911 ] Öninterferencia Glimmer Plate Vékonyréteg: d < λ / 10 Totálreflexió [ Vastag fluoreszcens réteg esetében nem észlelhető!] Koherencia nagy szögben, Később; dipól-karakter. -6 -

10 Primary motivation of the talk; several recent significance 57 Fe MANIFESTATION OF SELF COHERENCE THROUGH SPATIAL LOCALIZATION OF SOURCE B. W. Adams, Manipulation of nuclear γ-ray superradiance. Paper 58 at PQE R. Röhlsberger, The collective Lamb shift in nuclear γ-ray superradiance. Paper 222 at PQE ; See also talk Cooperative emission in the x- ray regime. present PQE M. O. Scully et al., Directed spontaneous emission from an extended ensemble of N atoms : The timing is everything. PRL 96, (2006); M. O. Scully, Collective Lamb shift in single photon superradiance. PRL 102, (2009) d = ( di d j ) max λ 2nk cos ε -7 -

11 A Selényi kísérlet jelentősége [ Marx György könyve. 1957, 1971 ] I.

12 A Selényi kísérlet jelentősége [ Marx Gy. 1957, 1971 ] II.

13 1907. matematika-fizika szakos tanári diploma (tanárai: Beke M., Eötvös L., Fröchlich I., Klupáthy J.) 1907-től a Bp.-i egyetemen tanársegéd bölcsészdoktori oklevél ( Adalékok az üvegrácson elhajlított fény polárosságának elméletéhez ) A Wiener-féle és recziprok interferencia-jelenségről (Math. és Term. Tud. Értesítő) Über Lichtzerstreuung im Raume Wienerschen Interferenzen und neue, reziproke Interferenzerscheinungen (Annalen der Physik, 1911) állami ösztöndíjjal Berlinben és Göttingenben tanul (pl. H. du Bois prof. laboratóriumában) ( Zur Frage der Beeinflussung selektiver Absorptionsspektra durch elastische Deformation ) 1915 februárjától 16 hónap az olasz fronton. Ágyú mellett hangtani feljegyzéseket is végez. Ezután a Technische Militaerkomission Bécsbe vezényli, az egyetemen a hangmérésre használható megfigyeléseinek hasznosításán dolgozik. Tüzérhadnagyként szerel le (1918) i tanév második felében a kísérleti fizika előadója ben a Posta Kísérleti Állomás munkatársa. A Tanácsköztársaság idején a tud. egyesületek és múzeumok direktóriumának tagja, ezért a diktatúra bukása után mindkét állásából elbocsátották ben az Erdélyi és Szabó laboratóriumi felszereléseket és precíziós mérlegeket gyártó cég munkatársa ben az Egyesült Izzólámpa és Villamossági Rt. kutatója, a Pfeifer Ignác volt műegyetemi tanár vezette Tungsram kutatatólaboratóriumban. Félvezetőkutatás. Szelén. A vállatat január 1-vel származása miatt nyugdíjazza Elektrografálás, a villamostöltésekkel való feljegyzés új módja és ennek gyakorlati alkalmazásai (Elektrotechnika) Elektrograhie, eine neues elektrostatisches Aufzeichnungsverfahren und seine Anwendungen (Elektrotechnische Zeitschrift, 1935) ben Székely Miklós villamossági vállalatánál külső szakértő, ben mérnök ban és 1944-ben 2 ill. 3 hónapig munkaszolgálatos Wide-Angle Interference and the Nature of elementary Light Sources (Phys. Rev. 1939) 1948-tól a bp.-i egyetemen magántanár, 1950-től ny. rk. tanár, 1951-től egyetemi tanár júl. 8-tól az MTA levelező tagja, Kossuth-díj, Eötvös Lóránd tudományos műveinek sajtó alá rendezése.

14 Töltésakkumuláció, Ikonoszkóp [ Tihanyi, Zworykin ]

15 Fotovezetés, Xerox [ Selényi 1936, Carlson 1938 ]

16 Sehr gut für Mittelschul Experimente. [ Zworykin, Selényi XEROX bemutatója után ] Heti két óra fizika

17 Selényi kísérletének korai jelentőségéről Selényi kísérlete szolgáltatta az első tiszta kísérleti bizonyítékot az elemi sugárzókból [fluoreszcens molekulákból] eredő [elektromos dipól] gömbfotonok nagyszögű önkoherenciájára. Az így az optikai tartományban észlelt jelenséget teljesen indokolt külön Selényi-féle interferenciá nak nevezni.» Selényi s experiment of 1911 gave the first clean evidence for the wide angle self coherence of radiation stemming from elementary sources [in fluorescence of molecules]. It delivered the first experimental proof of the existence of spherical electric dipole photons, in the sense of modern Quantum Theory of Radiation. At the same time, it disproved the assumption of directionality. We think, that it would be completely justified to call the fringes appearing in wide angle optical interference experiments, Selényi fringes.»

18 A fényelmélet krízise [ P. Jordan, 1928 ] I.

19 A fényelmélet krízise [ P. Jordan, 1928 ] II.

20 J. J. Thomson [ 1903-> ]. Faraday tubes. Tűsugárzás. In his 1903 Silliman Lectures at Yale University, Thomson reinforced the parallelism of the electromagnetic and Newtonian theories, bringing forward the discontinuity of the field implicit in Faraday s conception. He changed the picture somewhat, identifying light with transverse vibrations propagated along tubes of force, a speculation Faraday himself had made. However, there was still no mathematical development, and the ideas remained in the form in which they appeared in the Silliman Lectures, pictorial and, at best, qualitatively plausible. One rough quantitative estimate, based on experimental figures, was entered in the 1907 paper. Assuming that a single unit of light gives up all of its energy to a single electron, he calculated the energy unit of ultraviolet light from Lenard s measurements of the maximum photoelectron velocity. Thomson found that 3.3x10 7 units would pass through one square centimetre each second. This figure corresponds to an average density of about one unit of light per litre of space. These calculations for high-frequency radiation indicate that the departure from uniformity in the distribution of energy over the wave front can be astonishingly large. The ways in which Einstein and Thomson thought about light were very different. Einstein did not see the field in terms of tubes of force and an ether. The suggestion cannot be taken seriously that Einstein was put on the track of light quanta by the Silliman Lectures, a historical misunderstanding that later arose. [ R. McCormmach, J. J. Thomson and the structure of light. The British Journal for the History of Science Vol. 3, No. 12, pp (1967) ]

21 A. Einstein: fénykvantumok [ 1905, 1909 ] ; hν = A + E kin, p = hν / c On a heuristic point of view about the creation and conversion of light. Annalen der Physik 17, 132 (1905) On the development of our views on the nature and constitution of radiation. Physikalische Zeitschrift 10, 817 (1909) by spreading from a point, in the outgoing light rays the energy is not distributed continuously to larger and larger spatial regions, but these rays consist of a finite number of energy quanta localized in spatial points, which move without falling apart, and they can be absorbed or created only as a whole. the most natural notion seems to me, that the appearance of the electromagnetic fields of light would attached to singular points, like in the case of eletrostatic fields according to the electron theory. It is not exluded that in such a theory the energy of the electromagnetic field could be viewed as localized in these singularities, like in the old action-at-adistance theory. I think of such singular points surrounded by force fields, which, in essence are of a character of plane waves, whose amplitudes decrease by the distance from the singular points. Needless to say, such a picture is of no value until it leads to an exact theory. Unfortunately, Einstein has never published either a formula or an illustrative figure on the mentioned singular electromagnetic radiation fields.

22 CERN COURIER, March 2009

23 Nadelstrahlung concept contradicts Selényi s experimental results Standing light waves [ H. Hertz, 1888; O. Wiener, 1890; G. Lippmann, 1891; Nobel prize 1908 for colour photography ] Reciprocal, wide angle interference [P. Selényi, 1911] Needle radiation [ J. J. Thomson, 1903 ] Nadelstrahlung Light quanta [A. Einstein, 1905, 1909, 1916 ]: Heuristic viewpoint Point like hν; photoeffect. Assumption of recoil momentum hν / c in elementary radiation act; black-body spectrum; thermal equilibrium Recoil, unidirectionality. light darts : the electromagnetic momentum of a quantum is in the same direction for all of its energy. G. Breit, P. Jordan [1923] prove that unnecessary to assume the unidirectional nature of quanta G. P. Thomson s experiments on cutting the light darts : negative result A. H. Compton [1923] Thus even from the quantum viewpoint electromagnetic radiation is seen to consist of waves. Assumption of one sidedness of elementary radiation act contradict measured wide angle interference [ Pascual Jordan (1928): Die Krise der Lichttheorie. P. Selényi (1911), E.Schrödinger (1920), W. Gerlach & A. Landé (1926) ] W. Kossel [1935] with x-rays discovers analogon of Selényi s result Needle radiation vs QED [P. A. M. Dirac, P. Jordan, J. C. Slater, 1927]

24 L. de Broglie [ 1924 ], E. Schrödinger [ 1926 ] E E t i( ΔE / h ±ω) t i( ΔE± hω) t / i t f ω i iωt dte dte ψ ( ) f ψie ~ e h e i i ( E E t i t [ E E ] E f i ) ω f ( i + hω) t f = E i + hω h h p f = pi + hk i( Δp / h ± k ) r i( Δp± hk ) r / h dre dre Einstein s equation hν=a+e kin expresses a quantum mechanical resonance. Planck s constant comes in as a property of the electron, rather than being a property of the light. The resonance cannot be derived without the de Broglie Schrödinger waves. See: W. E. Lamb, Jr. and M. O. Scully, The photoelectric effect without photons.[1969] i A plane wave is clearly not an Einsteinian needle radiation, but just the opposite extreme (a wave of infinite transverse extension). Recoil in emission or absorption relies on interference, where trajectories are meaningless. k h

25 Schrödinger [1927] and Compton [1929] on directionality and localization The direction and frequency laws of the Compton effect have exactly the same meaning as stating that the pair of light waves and ψ-waves have the same net of planes (on a moving crystal) for the first order Bragg condition of reflection, as they move with a subluminar velocity. [ E. Schrödinger, Über den Comptoneffekt. Ann. Phys. (4) 82, (1927). Fig. 2.] There are certain localized regions in which at a certain moment energy exists, and this may be taken as a definition of what me mean by a particle. this wave-mechanics theory does not enable us to locate a photon or an electron definitely except at instant at which it interact with another particle. When it activates a grain on a photographic plate, or ionizes an atom which may be observed in a cloud chamber, we can say that the particle was at that point. But in between such events the particle cannot be definitely located. [ A. H. Compton, The corpuscular properties of light. Rev. Mod. Phys. 1, (1929) ]

26 Wenn man die Quantentheorie als (im Prinzip) endgültig ansehen will, so muß man glauben, daß eine vollständigere Beschreibung zwecklos wäre, weil es für sie keine Gesetze gäbe. Wenn es so wäre, dann würde die Physik nur mehr für Krämer und Ingenieure Interesse beanspruchen können; das ganze wäre ein trauriges Pfuschwerk. Du betonst nun ganz richtig, daß die vollständige Beschreibung nicht auf den Begriff der Beschleunigung aufgebaut werden kann und wie mir scheint ebesowenig auf den Teilchenbegriff. Es bleibt also von unserem Handwerkzeug nur der Feldbegriff übrig; aber der Teufel weiß, ob dieser standhalten wird. Ich denke, es lohnt sich, an diesem, d. h. am Kontinuum festzuhalten, solang wenn man keine wirklich stichhältigen Gründe dagegen hat. Ha az ember a kvantumelméletet (elvben) véglegesnek akarja tekinteni, akkor azt kell hogy higgye, hogy egy teljesebb leírás céltalan lenne, mivel ehhez nem lennének törvények. Ha ez így lenne, akkor a fizika többé már csak a szatócsok és mérnökök érdeklődésére tarthatna számot; az egész egy szomorú kontármunka lenne. Egészen helyesen fejezed ki, hogy a teljes leírás nem építhető fel a gyorsulás fogalmára, és ahogy nekem tűnik éppoly kevéssé a részecskefogalomra. Munkaeszközeink közül tehát csak a térfogalom marad; de az ördög tudja, hogy ez kitart-e. Úgy gondolom, hogy megéri ehhez, vagyis kontinuumhoz ragaszkodni, mindaddig amíg nincsenek valóban elfogadható érvek ellene. [ Einstein an Schrödinger, Dezember in K. Przibram (Ed.), Briefe zur Wellenmechanik. 18. (Wien, Springer-Verlag, 1963 ) ] All diese 50 Jahre Brüten haben mich kein biβchen weiter gebracht zu der Frage was Lichtquanten sind. Heute glaubt jeder Lump, er wisse es doch er irrt sich. Teljes ötven év töprengése sem vitt egy kicsit sem közelebb a kérdés megválaszolásához: Mik a fénykvantumok? Manapság minden gézengúz azt hiszi hogy tudja a választ, de téved. [ Einstein an Besso, Dezember Briefe ]

27 A Maxwell-egyenletek értelmezése, az éter kérdése MAXWELL FARADAY THOMSON The difficulty of imagining a definite uniform limit of divisibility of matter will always be a philosophical obstacle to an atomic theory, so long as atoms are regarded discrete particles moving in empty space. But as soon as we take the next step in physical development, that of ceasing to regard space as mere empty geometrical continuity, the atomic constitution of matter ( each ultimate atom consisting of parts which are incapable of separate existence, as Lucretius held ) is raised to a natural and necessary consequence of the new stanpoint. We may even reverse the argument, and derive from the ascertained atomic constitution of matter a philosophical necessity for the assumption of a plenum, in which the ultimate atoms exist as the nuclei which determine its strains and motions. [ Larmor : Aether and Matter. (1900) ] A részecskék tehát az éter szinguláris pontjai lennének, a sugárzás és a forrás végülis egy entitás, s ezzel érthetővé válik egyben a kisugárzás mechanizmusa.

28 WILLIS E. LAMB, Jr., ANTI PHOTON [ 1995 ] II.

29 An operational photon wave function [ 2003 ] A. Muthukrishnan, M. O. Scully and M. S. Zubairy, OPN Trends, October 2003, S

30 E. Fermi, Quantum theory of radiation [1932]. W. E. Lamb, Jr., Anti photon [1995] The photon concept as used by a high percentage of the laser community have no scientific justification. It is now about thirtyfive years after the making of the first laser. The sooner an appropriate reformulation of our educational processes can be made, the better. E. Fermi (1932) made a great contribution to QTR in his Reviews of Modern Physics article, especially for a treatment of Lippmann fringes. 2 Reflection (half space above a perfectly reflecting plane mirror, as treated by Fermi in his discussion of Lippmann fringes). Read the Fermi article, or forever go on thinking that photons exist. [ W. E. Lamb, Jr., Anti photon. Appl. Phys. B 60, (1995) ]

31 Selényi fringes [ inverse Wiener Lippmann fringes ]. About the Fermi s method. Wiener Lippmann ; indicator: photoplate; atom B absorbs Γ A >>Γ B Drude Nernst; indicator: through fluorescence light from B Selényi; indicator: direct visual observation of light from fluorescence Γ A <<Γ B B A B B A A Excitation B In Wiener s experiment [1890] the maxima of the standing wave pattern causes blackening of the photoplate. After evaluation we see the fringes. In the Drude and Nernst experiment [1892] these maxima were made visible through a fluorescent layer on the indicator plate. In each cases the excitation comes from above the metal mirror. In Selényi s arrangement [1911] the excitation comes from below, thus a possible disturbance from the standing waves [because there is no metal mirror] is eliminated: The self coherence of the spherical photon is observed directly by eye.

32 Konklúzió Selényi kísérletének korai jelentőségéről Selényi kísérlete szolgáltatta az első tiszta kísérleti bizonyítékot az elemi sugárzókból származó gömbfotonok nagyszögű önkoherenciájára. Az eredmény a feltételezett tűsugárzás irányultságának egyik fontos cáfolatát jelentette, összhangban a modern sugárzáselmélettel. A Planck-állandó nem a fény sajátja, az emisszió és abszorpció során fellépő visszalökődés a de Broglie-Schrödinger hullámok és a klasszikus EM hullám kvantummechanikai rezonanciájának (interferenciájának) az eredménye, s pont itt nincs értelme trajektóriákról beszélni.

33 Selényi kísérletének Röntgen-analogonja [ 1935-> ] Selényi kísérletének analogonja a Röntgentartományban. Kossel vonalak. Röntgen holográfia. [ Elektron holográfia ]

34 Analógia a Röntgen interferenciánál : Kossel vonalak W. Kossel: Röntgeninterferenzen aus Gitterquellen [ 1937 ] The author always had the impression, that this experiment of 1911, which in a classically simple form gives information on the most important property of a light source, should be introduced in every, slightly detailed presentation of optics. -8 -

35 Nagyszögű interferencia Röntgen sugarakkal. A fázis probléma [ ] ( a ) ~ Selényi: reciprok interferencia. ( b ) ~ Wiener: álló fényhullámok. FIG. 1. (a) Schematic diagram of Kossel-line production due to x-ray emission by an atom on the surface of a crystal. The interference between the Bragg-reflected wave and that directly emitted into the same direction allows the phase of the structure factor to be determined. (b) Schematic diagram of interferometry technique. An absorbing atom on the crystal surface samples the standing wave created by Bragg-reflection, allowing the phase to be determined. Note that, by the reciprocity theorem, this experiment is equivalent to the Kossel-line technique, (a).

36 Wide angle interference of x rays. Optical reciprocity and phase problem [1995] ( a ) ~ Wiener s standing waves. ( b ) ~ Selényi s reciprocal interference. ( FIG. a ) ~ Selényi s 2. (a) XSW: reciprocal A source interference. of radiation ( at b a ) ~ distant Wiener s point standing B waves. generates a plane wave incident on the sample under an angle Θ B + ΔΘ. (b) Kossel diffraction: Externally excited atoms at A inside the sample serve as a source of radiation which is diffracted by the surrounding lattice. The electric field intensity is measured at B under an observation angle Θ B + ΔΘ. Moving the detector to vary ΔΘ results in a fluorescence yield which by virtue of the optical reciprocity theorem is equivalent to the XSW signal. X RAY HOLOGRAPHY

37 KOSSEL VONALAK A RÖNTGEN-HOLOGRÁFIÁNÁL. II.

38 KOSSEL VONALAK A RÖNTGEN-HOLOGRÁFIÁNÁL. II.

39 Photon interference x- ray absorption fine structure by Y. Nishino et al. Phys. Rev. B 64, (R) (2001) Excellent agreement with a theoretical πxafs simulation is achieved in the energy range for above an absorption edge where photoelectron XAFS is negligible.

40 Konklúzió. Selényi kísérletének Röntgen-analogonja A Kossel féle vonalak megjelenése a Röntgeninterferenciánál szóról-szóra ugyanolyan fizikai alapon értelmezhető mint a Selényi féle optikai interferenciajelenség. [ A kvantum önkoherenciája elektron (és egyéb masszív részecske) esetében is nagyszögű interferenciát eredményez. ] [ A fázis-probléma, vagyis a geometriai struktúrák rekonstrukciója kvázimonokromatikus esetben nagyon hasonló mind fényre mind elektronra. Nagyon különböző viszont széles spektrum esetében (pl. attoszekundumos impulzusokra). Lásd köv. előadást március 22-én. ]

41 Selényi kísérletének utóélete az optikában Selényi kísérletének utóélete az optikában, valamint az elemi sugárzók dipólkatakterével kapcsolatban Selényi kísérletének utóélete az optikában. Monomolekuláris fluoreszcens rétegek interferencia-jelenségei. [ > Kapcsolat a (színes) fényképezéssel, Zenker rétegek. Kapcsolat a betemetett 57 Fe rétegek gammaszuperradianciájával. SZFKI: márc. 22. ] Az elemi sugárzók dipól (multipól) karaktere. Megjegyzések a Hertz féle dipólról. A fény terjedési sebessége vákuumban. Az Abraham féle botantenna és a magasrendű felharmonikusok keltése.

42 Monomolekuláris rétegek fluoreszcenciája. Cavity QED. Half-cavity renaissance G. A. N.Connel, R. J. Nemanich and C. C. Tsai, Interference enhanced Raman scatterering from very thin absorbing films. Appl. Phys. Lett. 36, (1980) Ming Lai and J.-C. Diels, Interference between spontaneou emission in different directions. Am. J. Phys. 58, (1990) F. Dubin, et al., Photon Correlation versus Interference of Single-Atom Fluorescence in a Half-Cavity. PRL 98, (2007)

43 Az elemi sugárzó multipól karakterének kérdése [ ] θ d = ( di d j ) max λ 2nk cos ε E = ( S sin θ) / R Electric dipole Theory: F. W. Doermann and O. Halpern, Wide angle interference of multipole radiation [ PR 1937, 1938, 1939 ]. Experiment: P. Selényi, Wide angle interference and the nature of the elementary light sources. [ PR 1939 ]. Experiment: S. Freed and S. I. Weissmann, Multipole nature of elementary sources of radiation wide-angle interference. [ PR 1941 ]. We confirmed Selényi s result with a film of fluorescein and examined the fringes at an angle of divergence 45 o also but noted little change in the visibility. The radiation emanates, then, from electric dipoles as Selényi had supposed.

44 The question of the multipole character of the elementary radiator [ 1939 ] A more detailed discussion of this point seems to be justified by the fact that although in two previous papers the authors had given a very exhaustive theoretical treatment of wide-angle interferencees,, they never recognized or at least never mentioned the experimental difficulties existing in this respect. As a matter of fact, their treatment is based upon the assumption that the light source is stricly point-like. Therefore the influence of the shape and of the finite dimensions of the light source had not been taken into consideration, though these are the most important experimental factors which generally prohibit the realization of wide-angle interferences.

45 Az antennasugárzás rejtélyei [ 2009 ] I.

46 Az antennasugárzás rejtélyei [ 2009 ] II.

47 Az antennasugárzás rejtélyei [ 2009 ] III.

48 Az antennasugárzás rejtélyei [ 2009 (1888) ] III. Um die Ausbreitungsgeschwindigkeit der elektrischen Kraft in der Aequatorialebene zu ermitteln, brachten wir die Wirkung derselben zur Interferenz mit der Wirkung einer mit gleichbleibender Geschwindigkeit in einem Drahte fortschreitenden Welle. [ H. Hertz, Die Kräfte elektrischer Schwingungen, behandelt nach der Maxwell schen Theorie. Wied. Ann. 36, 1 (1888) ]

49 Heinrich Hertz [ 1888 ] I.

50 Heinrich Hertz [ 1888 ] II. Π z = 1 +ν( r ct) r e sin κ( r ct) E x = 2 Π z x z Hence at very great distance from the origin the field is practically a self-conjugate field and so the energy travels with a velocity very nearly equal to the velocity of light. [ e.g. Bateman ]

51 Heinrich Hertz [ 1888 ] III. Ueber die Ausbreitungsgeschwindigkeit der elektrodynamischen Wirkungen. Sitzungsber. d. Berl. Akad. d. Wiss. vom 2. Febr , Wied. Ann. 34, p. 551.

52 Heinrich Hertz [ 1888 ] IV.

53 A Botantenna [ M. Abraham 1898, F. Hack 1904 ] I.

54 A Botantenna [ Max Abraham 1898, F. Hack 1904 ] II.

55 Konklúzió. Selényi kísérletének utóélete az optikában, valamint az elemi sugárzók dipólkatakterével kapcsolatban A monomolekuláris fluoreszcens rétegekkel észlelt interferencia-jelenségek megfigyelhetősége végülis Selényi vékonyréteg ötletén alapul. Az elemi sugárzók javarésze elektromos dipól (multipól) karakterű, ezekre érvényes a Helmholtz-féle reciprocitási tétel. Ennek érvényességét pl. mágneses dipólátmenetre még nem vizsgálták. A dipólból kibocsájtott fényjel terjedési sebessége vákuumban aszimptotikusan c = m / s, közelebb akár negatív is lehet. Véges (nem szingulárisan pontszerű), egyetlen frekvencián rezgő sugárzó (pl. Abraham féle antenna) jelében az összes magasrendű felharmonikus szerepel.

56 Nem igazi tűsugárzás és igazi tűsugárzás Nem igazi tűsugárzás : lézer; szinkrotron sugárzás ( search light ); Bessel nyalábok (azaz nemdiffraktáló nyalábok ); Oseen-féle Einsteinsche Nadelstichstrahlung Igazi tűsugárzás : Bateman féle szinguláris elektromágneses sugárzási vonalak. Egy egyszerű matematikai példa tűsugárra. [ Dirac féle szolenoid monopólus. Riesz Marcel és Horváth János szinguláris elektron-vonala, stb. Lásd: SZFKI szeminárium március 22. ].

57 J. Larmor [1900] and J. J. Thomson [1903]. Has the aether a structure? H. Bateman s example [ 1915 ] V 2π dα dα 4π/ r, = + = z + ixcosα + iysinα r 0, 0 z z > 0 < 0

58 Bateman s needle radiation. Lenard s light quantum and electron. H. Bateman [ 1915 ] Ph. Lenard [ 1920 ]

59 C. W. Oseen [ 1922 ] Einstein-féle tűsugárzás [ Nadelstichstrahlung ] I. As for a concrete example to mention, in this way one can find a solution of the Maxwell equations which represents a radiation from a point-like source on the Earth, whose all energy up to 1/10 10 goes out to infinity within a solid angle, which would cut a surface of size of a 5 penny coin on the surface of the Sirius. [ C. W. Oseen, Ann. der Phys. (4) 69, (1922) ] 2 B = Π / c t E = Π Π =( 0,0, P) P= 0 ic P= a0 + a a ω z n n ic ω z e iω( t r/ c) r

60 C. W. Oseen [ 1922 ] Einsteinian needle radiation [ Nadelstichstrahlung ] II. E x ω c 2 2 xz F( z/ r) e 3 r iω( t r/ c) F z/ r) = a + a ( z/ r) +... a ( z/ r) ( n n c S = E B 4 π S ~ [ F( z/ r)] 2 Let f ( z / r ) be a continuous function on the interval [ 1, +1 ]. Then, according to the approximation theorem of Weierstrass, for any (small) positive ε one can find an n-th degree polynomial with real coefficients a 1, a 2,, a n, such that this (arbitrarily) approximates the function f, Now let us choose f ( z / r ) such that f ( z/ r) = 0, 1 ( z/ r) cosϑ F( z/ r) f ( z/ r) <ε/2π 1/2 d Ω f 1 1 ( z/ r) = Flux confined in cone.

61 Egy lehetséges meromorf tűsugár család [ V. S., 2011 ] I. ( 2 / c 2 t 2 2 ) A μ = 0 1. Vákuumbeli hullámegyenlet B z = x Ay y Ax = 0 x A x + y A y = 0 2. Cauchy Riemann egyenletek Ay + iax = f ( t ± z / c) w( x + iy) 3. w meromorf függvény az x+iy komplex síkon, és f tetszőleges. Igy például konstruálni lehet monokromatikus elektromágneses sugárzási téreloszlásokat, amelyeknek másodrendű pólusai vannak. Az alábbi tér az N pólus helyétől eltekintve holomorf, és kielégíti az eredeti Maxwell-egyenleteket. Még érdekesebb, hogy egy ilyen típusú térrel vett kölcsönhatás esetében a Klein-Gordon és Dirac-egyenlet elég jól kezelhető egzakt megoldásokkal is rendelkezik. A y + ia x = ( cf 0 / ω 0 )cos[ ω 0 ( t ± z / c)] a N k k = 1 ( z zk ) 2

62 Egy lehetséges meromorf tűsugár család [ V. S., 2011 ] II. Out[2]=

63 Konklúzió. A nem igazi tűsugárzás és igazi tűsugárzás kérdésében Sem J. J. Thomson sem A. Einstein nem közölt egyetlen matematikai formulát, sőt egyetlen részletes képet sem tűsugárról. Tehát tűsugárelmélet valójában nem létezett. Ugyanakkor, az elképzelés fontos szerepet játszott számos fontos kísérlet kezdeményezésében. A lézer, a szinkrotron sugárzás ( search light ), a Bessel nyalábok (azaz nem-diffraktáló nyalábok ), az Oseen-féle Einsteinsche Nadelstichstrahlung, vagy a mai filament -ek egyike sem igazi tűsugár. Ezek egyike sem terjed a végtelenbe úgy hogy bármilyen távol a forrástól transzverzálisan koncentrált maradjon. Igazi J. J. Thomson féle tűsugár lehetett volna a Bateman féle szinguláris elektromágneses sugárzási vonal, azonban ezt a fizikusok körében senki sem (ismerte) alkalmazta. Egy alternativ matematikai modell lehet a meromorf tűsugár.

64 My dear Dr. Selenyi: One of your experiments has interested me very much and I wish to include it in the new edition of my physical optics. It is the one which shows the possibility of interference between waves leaving a fluorescent molecule at angle difference of nearly 180º. [ R. W. Wood, Baltimore, Maryland, 1932 ] A szerzőnek mindig is az volt a benyomása, hogy ezt az 1911-es kísérletet, amely a fényforrás egyik legfontosabb tulajdonságáról ilyen klasszikusan egyszerű formában ad felvilágosítást, az optika minden, kissé alaposabb tárgyalásában szerepeltetni kellene. [ W. Kossel, 1937 ] Sajnálom, hogy ilyen nehézséggel kell megküzdenie Dr. úrnak. Én pedig jó dolognak tartom az ötletét Talán az a Röntgen felvevő módszer is kijöhetne belőle, amelyről beszéltünk. De ehhez nyugalom kell és az a tudat, hogy nem veszik az embernek rossz néven, ha netán nem is lesz praktikus eredménye. Ilyen körülmények között születnek csak igazi praktikus eredmények. De Dr. úrnak ezt igazán nem kell magyarázni!... [ Gábor Dénes, London, 1934 ]

65 Knowledge is better than ignorance E. Fermi

66 A Magyar Tudományos Akadémia elhatározta, hogy Selényi Pál, a kiváló tudós különböző folyóiratokban megjelent munkáit külön kötetben adja ki, hogy ilyen módon is emléket állítson a kitűnő kísérleti fizikusnak, tudományos és ipari kutatónak és oktatónak. Munkásságára jellemző, hogy egyszerű eszközökkel dolgozta ki jelentős és időtálló eredményeit, melyek új gondolatok ébresztésére hivatottak. Az Eötvös Lóránd Fizikai Társulat Selényi Pál emlékére róla elnevezett díjat alapított tehetséges kísérleti fizikusok részére. Igy marad élő emléke Selényi Pálnak, a nagy magyar fizikusnak [ SELÉNYI PÁL ÖSSZEGYŰJTÖTT MUNKÁI ( Akadémia Kiadó, Budapest, 1969 ) Sajtó alá rendezte BODÓ ZALÁN. Részletek a kiadó előszavából. ] A szóbeli fórumok közül az elsőt a Társulat alapította vándorgyűléseivel. Az első vándorgyűlést Selényi Pál nagyszögű interferenciakísérletének 40. évfordulóján tartották 1951-ben, Pécsett. Jánossy Lajos kifejtette, hogy szerinte ez a kísérlet a legmeggyőzőbb bizonyíték a fény hullámtermészete mellett. A főbb témakörök: erőterek kvantumelmélete, kisérleti magfizika és szilárdtestfizika. Persze itt sem lehetett nélkülözni a tartalomtól tökéletesen idegen, ám a közállapotokra olyannyira jellemző politikai tiszteletköröket. Magát a vándorgyűlést persze nem a politikai, hanem a szakmai elkötelezettség hatotta át. Ablaknyitó szerepet játszott, az áttekintés és az eredményesség demonstrálása mellett. Az ablakon keresztül maguk a fizikusok és a külső szemlélők is láthatták, mi zajlik a műhelyekben, és főként, hogy valóban zajlik valami: a kutatás mindent túlélt, még a frázisok mögül kitetsző nehéz politikai viszonyokat is. [ Palló Gábor: Századunk második fele. In: FEJEZETEK A MAGYAR FIZIKA ELMÚLT 100 ESZTENDEJÉBŐL ( ). Szerkesztette: Kovács László főiskolai tanár. ( Megalakulásának centenáriuma alkalmából kiadta az Eötvös Lóránd Fizikai Társulat, 1992 ), p ]

67 Néhány további irodalom Selényi Pálról Gyulai Zoltán: Selényi Pál (Akad. Ért., 1954; Nature, 1954; Acta Phys. Hung., 1955) Bitó János: A 20. század legnagyobb magyar kísérleti fizikusa: Selényi Pál. (Természet Világa, 1984) Nagy Elemér: Selényi Pál. (Fizikai Szemle, 1985) Varga Péter: Selényi Pál nagyszögű interferenciakísérletei. (Fizikai Szemle, 1985) Kroó Norbert: A nagyszögű interferenciakísérlet. Néhány gondolat Selényi Pál munkásságáról. (Fizikai Szemle, 1985) Valkó Iván Péter: Emlékezés Selényi Pál képmegjelenítési kutatásairól. (Fizikai Szemle, 1985) Abonyi Iván: Selényi Pál. (Természet Világa, 1991) Abonyi Iván: Egy cowboykalapos amerikai, aki tudja ki volt Selényi Pál. (Természet Világa, 1993). Beszélgetés H. C. Bryant fizikussal. [riporter:] Rózsa Károly, Abonyi Iván, Staar Gyula Bor Zsolt: Optics by Hungarians. (Fizikai Szemle, 1999/ o.)

68 Electron needle radiation in ionization of a Rydberg atom. SU(1, 1) dynamics. 2 2, sin 2, cos 2 μ = λ ϕ λμ = ϕ λμ = z y x Ψ = Ψ + ω + ω Δ + + E N a a a a e z i r ) ( ) )( / ( S. V., Streching and squeezing of a highly-excited H-atom at the main resonance. [ Unpublished ] Squared parabolic coordinates ( ) ) (0 ) ( ) ( 2 exp ) ( 0 0 ψ ω ε = ψ θ + + θ L K e L K e u u i i Particle Eccentric anomaly; u ω ω ε , n F n ), ( ), ( u u e e f f γ γ μ λ μ λ u

69 The photon wave function of L. D. Landau and R. Peierls [ 1930 ] and I. Bialynicki-Birula [ 1989 ]. F 3 ( r, t ) = d kk [ ikh( k) k h( k)] e + iωt+ ik r L. D. Landau and R. Peierls, Quantum electrodynamics in konfiguration space. Z. Physik 62, (1930) I. Bialynicki-Birula, Exponential localization of photons. PRL 80, (1998) h( k) = m l 3 kl 1 / kl k hc e ψ h( k) = m p γμψ p A μ + lk 5/ 2 e kl 1/ kl Notice the diffetent negative exponents 3 and 5/2. The physical significance of these mathematical constructions is not clear, though I. B-B. interrelates his wave function with localized photodetection. Clearly the parameter r should then be the position of the nucleus of the atom, from which the electron has been delibarated. After all, the electrons are detected in the counters, and not directly the position of the nucleus. Now, let us consider a Compton scattering on this field configuration with the interaction term shown above. The matrix element contains an ESSENTIAL SINGULARITY of type exp[ a / p -(p+k) ]. According to H. J. Bhabha [ Phys. Rev. 70, 759 (1946) ], in general, essential singularities correspond to non-physical formulae. In our present example the essential singularity is at the the usual momentum conservation point. A theorem of the theory of functions says that if a function has an essential singularity, then in an arbitrary neigbourhood of this singularity the function takes infinitely many times infinitely many different values.

70 Conclusions, Outlook [ Some Questions ]»Selényi s experiment of 1911 gave the first clean evidence for the wide angle self coherence of radiation stemming from elementary sources [in fluorescence of molecules]. It delivered the first experimental proof of the existence of spherical electric dipole photons, in the sense of modern Quantum Theory of Radiation. At the same time, it disproved the assumption of directionality. We think, that it would be completely justified to call the fringes appearing in wide angle optical interference experiments, Selényi fringes.»the term needle radiation has had and still has various interpretations, sometimes one contradicts to the other. By now, no direct evidence has been found for the existence of [directional, transversally limited over arbitrarily large distances] needle radiation. Except for very few operational approaches, recent theories deal almost exlusively with mathematical constructions of singular fields, but they do not discuss the interactions with such fields. In most of the operational approaches the ejected electron is forgotten.»one open problem seems to be the experimental verification or disproof of optical reciprocity with magnetic dipole (n-pole) radiation centers [standing wave indicators].»concerning temporal localization, perhaps the most interesting question today is to set the experimental and theoretical limits of classical Fourier synthesis in short [ < attosecond ] pulse generation. Here multimode quantum phase uncertainty plays likely the key role.

71 Az Einstein - féle fénykvantumok. II. S υ S υ 0 = ( E / βν)log( υ / υ0) = k log ( υ / υ0) E kβν npontszerű részecskéből álló ideális gázra: [ ] n ( υ / S υ S υ = k log 0) 0 υ E = nhν A) Kis sűrűségű (a Wien-féle sugárzási képlet érvényességi tartományán belül) monokromatikus sugárzás hőelméleti szempontból úgy viselkedik, mintha Rβν/N [ = kβν = hν ] nagyságú, egymástól független energiakvantumokból állna. B) Az itt kifejtésre kerülő felfogás szerint az egy pontból kiinduló fénysugarak szétterjedésénél az energia nem folytonosan egyre nagyobb és nagyobb térrészre oszlik el, hanem véges számú térbeli pontban lokalizált energiakvantumból áll, amelyek úgy mozognak, hogy nem bomlanak részekre, s csak mint egészek nyelődhetnek el vagy keletkezhetnek.

72 Az Einstein - féle fénykvantumok. III. Megjegyzések: 1) Érdekes, hogy tekintettel arra, hogy a Wien-formula már 1896-tól ismert volt a fenti gondolatmenetet követve, 9 évvel korábban következtetni lehetett volna a (kis sűrűségű) fekete sugárzás Einstein által kapott szemcsésségére. A Planck-állandó felfedezése előtt azonban valószínűleg nem vetődött volna fel hogy numerikus becslést adjanak a kvantumok energiájára, s enélkül az egész megközelítés a levegőben lógott volna. Azért az is érdekes, hogy Planck a Wien-féle képlet exponensében szereplő β paraméterből már 1899-ben kiszámította a hatáskvantumot. Más: Ha a fekete sugárzás igazi részecske-gáz volna, akkor egy (1/3)-os faktor hiányozna a Plancktörvény alapján kiszámolt állapotegyenletből. Ezt sem Einstein, sem a kortársak nem vették észre. 2) Fotoeffektus. hν = A + E kin. Én magam úgy látom, hogy a fenti felfogás nem áll ellentmondásban a fényelektromos jelenség Lenard úr által megfigyelt tulajdonságaival. Ha a gerjesztő fény minden energiakvantuma az összes többitől függetlenül adja át az energiát az elektronoknak, akkor az elektronok sebességeloszlása másszóval a gerjesztett katódsugárzás jellege a gerjesztő fény intenzitásától független lesz; másrészt egyébiránt azonos feltételek mellett a testből kilépő elektronok száma a gerjesztő fény intenzitásával egyenesen arányos lesz. [ Einstein (1905), 1922-es Nobel-díjánál a fotoeffektus magyarázatát emelik ki ]

73 Diffrakció, Kirchhoff-féle integrálegyenlet [ + Fénykvantumok? ] KIRCHHOFF-KÖZELÍTÉS ~ HUYGENS-ELV ˆ ) ( 2 1 x x e R x x k i ik df x x ik x S S + + = + r r r r r r r r r ψ ψ π ψ S1 S2 >