Эксперименты по волновой природе элементарных частиц

1.Опыты Дэвидсона и Джермера.

Если пучок электронов обладает волновыми свойствами, то можно ожидать, что их отражение от кристалла будет иметь такой же интерференционный характер, как у рентгеновских лучей.

Полярная диаграмма рассеивания электронов (зависимость пучка электронов от угла падения θ): рис 2. В результате получили, что экспериментальная длина волны равна 0,167 нм, что хорошо совпадает с найденной по формуле де-Бройля (0,165 нм). Совпадение настолько хорошее, что полученный результат следует признать убедительным подтверждением гипотезы де-Бройля.

2. Опыты Томсона и Тартаковского

В этих опытах пучок электронов пропускался через поликристаллическую фольгу. Как и в случае рентгеновского излучения, на фотопластинке, расположенной за фольгой, наблюдалась система дифракционных колец. Сходство обеих картин поразительно. Подозрение, что система этих колец порождается не электронами, а вторичным рентгеновским излучением, возникающим в результате падения электронов на фольгу, легко рассеивается, если на пути рассеянных электронов создать магнитное поле. Оно не влияет на рентгеновское излучение. Проверка показала, что интерференционная картина сразк же искажалась. Это значит, что мы имеем дело с электронами. Г. Томсон осуществлял опыты с быстрыми электронами (десятка кэВ), П.С. Тартаковский – со сравнительно медленными электронами (до 1,7 кэВ)

3. Опыты с нейтронами и молекулами

Для успешного наблюдения дифракции волн на кристаллах необходимо, чтобы длина волны этих волн была сравнима с расстояниями между узлами кристаллической решётки. Поэтому для наблюдения дифракции тяжёлых частиц необходимо пользоваться частицами с достаточно малыми скоростями. Соостветствующие опыты по дифракции нейтронов и молекул при отражении от кристаллов были проделаны и также полностью подтвердили гипотезу де-Бройля в применении и к тяжёлым частицам.

Благодаря этому было экспериментально доказано, что волновые свойства являются универсальным свойством всех частиц. Они не обусловлены какими-то особенностями внутреннего строения той или иной частицы, а отражают их общий закон движения.

4. Опыты с одиночными электронами

В. Фабрикант, Л. Биберман и Н. Сушкин в 1949 г. Осуществили опыты, в которых применялись столь слабые пучки электронов, что каждый электрон проходил через кристалл заведомо поодиночке, и каждый рассеянный электрон регистрировался фотопластинкой.

При этом оказалось, что отдельные электроны попадали в различн точки фотопластинки совершенно беспорядочным на первый взгляд образом (рис а). Между тем, при достаточно длительной экспозиции на фотопластинке возникала дифракционная картина (рис. Б), абсолютно идентичная картине дифракции от электронного пучка.

Законы излучения абсолютно черного тела, формула Планка.

Абсолютно черное тело – это тело полностью поглощающее все падающее на него излучение, т.е. A_ω=1.

Абсолютно черных тел в природе не бывает. Моделью абс. черного тела может служить полость, внутренняя поверхность которой зеркальна. Свет, падающий через отверстие внутрь полости, после многочисленных отражений будет практически полностью поглощен стенками, и снаружи отверстие будет казаться совершенно черным. Но если полость нагрета до определенной температуры T, и внутри установилось тепловое равновесие, то собственное излучение полости, выходящее через отверстие, будет излучением абсолютно черного тела.

Классический подход.Изначально к решению проблемы были применены чисто классические методы, которые дали ряд важных и верных результатов, однако полностью решить проблему не позволили, приведя в конечном итоге не только к резкому расхождению с экспериментом, но и к внутреннему противоречию - так называемой ультрафиолетовой катастрофе.

Первый закон излучения Вина. В 1893 году Вильгельм Вин, воспользовавшись, помимо классической термодинамики, электромагнитной теорией света, вывел следующую формулу:

,где: uν — плотность энергии излучения;

ν — частота излучения; T — температура излучающего тела;

f — функция, зависящая только от частоты и температуры. Первая формула Вина справедлива для всех частот. Любая более конкретная формула (например, закон Планка) должна удовлетворять первой формуле Вина.