Корпускулярно-волновой дуализм света

    Свет есть материальный объект, обладающий как волновыми, так и корпускулярными свойствами. При определённых условиях, т.е. в ряде оптических явлений, свет проявляет свои  волновые свойства,  а в других корпускулярные.

    Существуют оптические явления, которые могут быть объяснены качественно и количественно как волновой, так и корпускулярной теориями света. Например, давление, оказываемое светом при падении его на вещество.

    Двойственная природа света получила название  корпускулярно – волнового дуализма света.

    В физике свет оказался первым объектом, у которого была обнаружена двойственная корпускулярно-волновая природа. Дальнейшее развитие физики значительно расширило класс таких объектов.

 

                                      Лекция 3

Волновые свойства микрочастиц

Гипотеза де Бройля

 

    Каждая материальная частица наряду с корпускулярными обладает волновыми свойствами, причём соотношения, связывающие волновые и корпускулярные характеристики частицы, остаются такими же как и у фотона, т.е.

  и      :   

    Согласно гипотезе де Бройля, свободно движущейся частице, обладающей энергией Е и импульсом р соответствует волновой процесс с частотой    и длиной волны    .

 

Примечание: в настоящее время в   СИ килограммом называют массу тела, для которой частота де Бройля точно равна

 

    Волна де Бройля распространяется в направлении скорости частицы. Она не является электромагнитной и имеет специфическую природу, для которой  нет аналога в классическойфизике, но которая должна обладать такими свойствами волн как интерференция и дифракция

    Для нерелятивистской частицы

    Для релятивистской частицы  

и

 

    Оценим величину волн де Бройля для микро и макро-объектов.

 

    Для нерелятивистского электрона, прошедшего ускоряющую разность потенциалов U ~ 150 B получаем

м

    Размеры атомов и расстояния между молекулами в твёрдых телах имеют тот же порядок ~ 10^{-10 м.}

    Для макроскопического, но достаточно малого объекта – пылинки, масса которой m ₀ = 10^-6г, а скорость v = 1 мм/с получаем

 

 м

    Такая длина волны значительно меньше наименьшего из известных в природе размеров – размеров атомного ядра, порядок которого 10^-15  м.

 

    Волновые свойства частиц проявляются максимальным образом в тех случаях, когда дебройлевская длина волны частицы сравнима с характерными размерами области движения частицы

λ _Б  ~ L ,

например, при взаимодействии электрона с атомами

    В тех случаях, когда λ _Б < < L (пример с пылинкой), волновые свойства частицы становятся несущественными, и для описания движения таких объектов необходимо пользоваться законами классической механики.

 

Дифракция микрочастиц

    Первые экспериментальные исследования, подтвердившие волновую природу частиц были выполнены при исследовании дифракции электронов на кристаллической решётке. Дебройлевская длина волны электрона при ускоряющей разности потенциалов ~ 100 В имеет порядок ~ 10^{-10 м. Расстояние между атомными плоскостями в кристалле имеет такой же порядок. Поэтому, так же как и в случае рентгеновского излучения, кристалл может играть роль дифракционной решётки для электронных волн.}

    Пусть имеется совершенный кристалл, обладающий идеальной, без каких либо нарушений кристаллической решёткой, и электроны падают на кристалл под углом скольжения   по отношению к рассеивающему семейству плоскостей.

β = π - 2θ – угол между  падающим и дифрагирующим пучками электронов.

    При значении угла θ , удовлетворяющему условию Брэгга-Вульфа

 

2 d ^. sin θ = т^. λ _Б       ( т = 1; 2; 3; 4… )

 

возникает интенсивный дифракционный максимум отражённой волны. Здесь

d – расстояние между отражающими плоскостями (постоянная решётки кристалла).

    Дифракционные максимумы появляются в тех случаях, когда разность хода волн, отражённых от соседних атомных плоскостей, равна целому числу длин волн де Бройля, т.е. имеет место интерференция.

    С учётом преломления электронных волн в кристалле условие Брега-Вульфа принимает вид

, где

n_e – показатель преломления электронных волн в кристалле.

    Результаты экспериментов по дифракции электронов, проведённые американцами Девиссоном и Джермером на монокристалле никеля, а также англичанином Дж.Томпсоном и советским физиком Тартаковским на тонкой поликристаллической фольге хорошо совпали с теоретической формулой Брэгга-Вульфа.

    В 1921г. немецкий физик Рамзауэр, исследуя упругое рассеяние электронов на атомах аргона, обнаружил явление, являющееся электронным аналогом хорошо известного в оптике пятна Пуассона. Если энергия электрона такова, что его дебройлевская длина волны сравнима с диаметром атома, то в результате дифракции электрона на атоме электроны проходят через атом аргона, не испытывая какого либо отклонения от направления своего первоначального движения.

 

    Позднее была обнаружена дифракция тепловых нейтронов, т.е. нейтронов, энергия которых сравнима с энергией   при комнатной температуре Т ~ 300 K. Для таких нейтронов

 

~ 10^{-10 м, где}   m_n – масса нейтрона.

    На рисунке приведена традиционная схема эксперимента по дифракции нейтронов.

Нейтроны, выходящие из ядерного реактора R , проходят через замедлитель S и теряют в нём часть своей энергии. Далее через коллимирующую систему  К, формирующую узконаправленный пучок, они попадают на кристалл  С, в котором и происходит дифракция. Дифрагировавший пучок нейтронов регистрируется детектором нейтронов D.

              В дальнейшем были обнаружены при дифракции на кристаллах волновые свойства атомов гелия, молекул водорода и тяжёлых молекул фторфуллерена С₆₀F₄₈. Таким образом, гипотеза де Бройля имеет универсальный характер для всех частиц, независимо от их природы и внутреннего устройства.

 

⇐ Предыдущая123456Следующая ⇒

Поделиться: