Лекции.Орг
 

Категории:


Экологические группы птиц Астраханской области: Птицы приспособлены к различным условиям обитания, на чем и основана их экологическая классификация...


Как ухаживать за кактусами в домашних условиях, цветение: Для кого-то, это странное «колючее» растение, к тому же плохо растет в домашних условиях...


Деформации и разрушения дорожных одежд и покрытий: Деформации и разрушения могут быть только покрытий и всей до­рожной одежды в целом. К первым относит...

Соотношение неопределённостей



Корпускулярно-волновой дуализм

Корпускулярно-волновой дуализм — это физический принцип, утверждающий, что любой объект природы может вести себя и как частица, и как волна. С первым проявлением этого принципа мы столкнулись в предыдущем листке, когда говорили о двойственной, корпускулярно-волновой природе света. В явлениях интерференции и дифракции свет демонстрирует свою волновую природу. В явлении фотоэффекта свет выступает как дискретный поток частиц — фотонов.

Является ли свет каким-то особым объектом нашего мира, таким, что подобный дуализм

присущ только ему? Или, быть может, корпускулярно-волновой дуализм — это свойство вообще

всех материальных объектов, просто впервые обнаружен он был для света?

Гипотеза де Бройля

Идея об универсальной двойственности корпускулярных и волновых свойств всех объектов

природы была впервые высказана Луи де Бройлем (в 1924 году) в качестве гипотезы о волновых

свойствах частиц.

Итак, мы знаем, что свету с частотой ν и длиной волны λ соответствуют частицы — фотоны,

обладающие энергией E = hν и импульсом p = h/λ. Де Бройль, в сущности, постулировал

обратное. Гипотеза де Бройля. Движению каждой частицы соответствует распространение некоторой волны. Частота и длина этой волны определяются энергией и импульсом частицы:

(6.11)

Точно так же, любой волне с частотой v и длиной волны λ отвечают частицы с энергией

E = hv и импульсом p = h/λ. Чтобы лучше осмыслить гипотезу де Бройля, давайте обсудим дуализм «волна–частица» на примере электромагнитного излучения. В случае электромагнитных волн мы имеем следующую закономерность. По мере увеличения длины волны всё легче наблюдать волновые свойства излучения и всё труднее — корпускулярные. И наоборот, чем меньше длина волны, тем ярче выражены корпускулярные свойства излучения и тем труднее наблюдать его волновые свойства. Изменение соотношения корпускулярных и волновых свойств хорошо прослеживается при движении по известной вам шкале электромагнитных волн.

* Радиоволны. Длины волн здесь настолько велики, что корпускулярные свойства излучении практически не проявляются. Волновые свойства в этом диапазоне абсолютно доминируют. Длины волн могут составлять несколько метров или даже километров, так что волновая природа проявляется «сама собой» — радиоволны в процессе дифракции запросто огибают дома или горы. Излучение радиоволн и их взаимодействие с материальными объектами отлично описывается в рамках классической электродинамики.

*Видимый свет и ультрафиолет. Это своего рода «переходная область»: в оптике мы можем наблюдать как волновые свойства света, так и корпускулярные. Однако в обоих случаях надо постараться. Так, длины волн видимого света много меньше размеров окружающих нас тел, поэтому в опытах по интерференции или дифракции света нужно создавать специальные условия (малость щелей или отверстий, удалённость экрана). В свою очередь, термин «красная граница фотоэффекта» также подчёркивает пограничность данного диапазона: фотоэффект начинается лишь при переходе через красную границу.

* Рентгеновское и гамма-излучение. Длины волн очень малы, и наблюдать волновые свойства излучения весьма затруднительно. Так, верхняя граница длин волн рентгеновского излучения составляет 10 нм; это лишь на два порядка превышает размер атома. Ясно, что дифракцию на «обычных» препятствиях при такой длине волны наблюдать невозможно. Однако в рентгеновский диапазон входят длины волн порядка размера атома и межатомных расстояний в кристалле (0;1 нм). Поэтому дифракция рентгеновских лучей наблюдается на «естественных» дифракционных решётках — а именно, на кристаллических решётках твёрдых тел. Энергия квантов в рентгеновском и гаммадиапазоне настолько велика, что излучение ведёт себя почти стопроцентно как поток частиц.

Рассуждая по аналогии с электромагнитными волнами, можно заключить, что и частица будет проявлять волновые свойства тем лучше, чем больше её длина волны де Бройля (в масштабах данной ситуации). Так, мы совсем не наблюдаем волновых свойств у окружающих нас тел. (Видели вы, например, интерференцию движущихся автомобилей?) А почему? Давайте посчитаем длину дебройлевской волны объекта массой 1 кг, движущегося со скоростью 1 м/с:

Это на 25 порядков меньше размера атома. Воображение отказывается представить себе

столь малую величину. Разумеется, никакого волнового поведения у нашего объекта при та-ких условиях не обнаруживается — он стопроцентно ведёт себя как «частица», то есть как

материальная точка классической механики.

Дифракция электронов

Совсем другое дело — электрон. Масса электрона равна 9,1*10-31 кг, и столь малое значение массы (а стало быть, и импульса в формуле λ=h/p) может дать длину волны де Бройля, достаточную для экспериментального обнаружения волновых свойств. И вот оказывается, что электроны с энергией 100 эВ (при такой энергии становится несущественным хаотическое тепловое движение электронов, и электронный пучок можно считать когерентным) имеют дебройлевскую длину волны примерно 0,1 нм — это как раз порядка размера атома и расстояний между атомами в кристаллической решётке! Опыт по наблюдению дифракции рентгеновских лучей на кристаллических структурах уже имелся, поэтому оставалось направить на кристаллическую решётку пучок электронов.

Впервые это было сделано в знаменитом эксперименте американских физиков Дэвиссона и Джермера (1927 год). Дифракция электронов на кристаллах была обнаружена! Как и ожидалось, полученная дифракционная картина имела тот же характер, что и при дифракции на кристаллической решётке рентгеновских лучей. Впоследствии волновые свойства были обнаружены и у более крупных частиц: протонов, нейтронов, атомов и молекул. Гипотеза де Бройля, таким образом, получила надёжное опытное подтверждение.

Соотношение неопределённостей

Обнаружение корпускулярных свойств электромагнитных волн и волновых свойств частиц показало, что объекты микромира подчиняются необычным законам. Эти законы совершенно

неожиданны для нас, привыкших наблюдать за макроскопическими телами. Наше сознание выработало некоторые образы частицы и волны, вполне пригодные для описания объектов классической физики. Частица — это маленький, локализованный в пространстве сгусток вещества. Волна — это распределённый (не локализованный) в пространстве колебательный процесс. Как же эти понятия могут совмещаться в одном объекте (например, в

электроне)? Вообразить такое действительно получается с трудом. Но что поделать — это факт. Природа оказывается намного богаче нашего воображения. В своей повседневной жизни мы находимся очень далеко от микромира, и в привычном нам диапазоне макроскопических тел природа демонстрирует свои «крайние» проявления — в виде «только частиц» или «только волн». Вот почему корпускулярные и волновые свойства представляются нам несовместимыми друг с другом. Но на самом деле это не так: в микромире оказывается, что один и тот же объект (например, электрон) легко может обладать обоими свойствами одновременно — словно человек, обладающий разными, несовместимыми на первый взгляд чертами характера.

Так, будучи частицей, электрон локализован в пространстве; но, будучи волной, локализован не в точке, а «размазан» по некоторой области. Координаты и скорость электрона не могут быть измерены одновременно сколь угодно точно. Неопределённость координаты Δx и неопределённость соответствующей проекции импульса Δpх оказываются связанными соотношением неопределённостей Гейзенберга:

Δх*Δрх : (6.12)

Соотношение неопределённостей (6.12) имеет фундаментальный характер — оно применимо к любым объектам природы. Чем точнее мы знаем координаты объекта (то есть чем в меньшей пространственной области он локализован), тем больше получается разброс значений его импульса (то есть тем с большей скоростью объект «готов вылететь» из этой области). И наоборот, чем точнее мы знаем импульс объекта, тем меньше у нас информации о том, где этот объект находится. Но коль скоро нет возможности одновременно точно измерить координаты и скорость, то теряет смысл понятие траектории движения объекта. Механика Ньютона перестаёт работать в микромире и уступает место квантовой механике.

 





Дата добавления: 2016-12-18; просмотров: 3477 | Нарушение авторских прав


Рекомендуемый контект:


Похожая информация:

  1. В зависимости от особеностей выполнения упражнения разные мышечные зоны имеют не одинаковое соотношение получаемой нагрузки.
  2. Влияние технологических и металлургических факторов на соотношение усадочных раковин и пористости в отливках
  3. Количество ролей в подвижной игре увеличивается с возрастом. Установите соотношение количества ролей с возрастом детей
  4. Культура как предмет философского анализа и ее основные функции. Соотношение культуры и цивилизации.
  5. Неустойка как способ обеспечения исполнения обязательств. Виды. Соотношение неустойки и убытков.
  6. Однако поведенческие концепции стиля руководителя не смогли выявить универсальный стиль, который давал бы устойчивое соотношение между его использованием и ростом эффективности.
  7. Определение кризиса. Конфликт как частный случай кризиса. Понятие и функции антикризисного менеджмента. Соотношение конфликтных и антикризисных связей с общественностью.
  8. ПЕРВОНАЧАЛЬНЫЕ КАТЕГОРИИ ПРОТОКАЗАХОВ И ИХ СООТНОШЕНИЕ.
  9. Получим формулу для расчета скорости звука в данной работе. Скорость волны связана с длиной бегущей волны λ и с частотой ν соотношением
  10. Понятие и виды гражданской юрисдикции. Соотношение гражданской юрисдикции с гражданской подсудностью
  11. Понятие о принципах обучения. Соотношение принципов и правил. Система дидактических принципов. Характеристика принципов обучения.
  12. Понятие формы права. Соотношение формы и источника права


Поиск на сайте:


© 2015-2019 lektsii.org - Контакты - Последнее добавление

Ген: 0.002 с.