5315

Корпускулярно волновой дуализм

Лекция

Физика

Корпускулярно волновой дуализм Экспериментальные факты свидетельствуют, что в ряде явлений свет проявляет сугубо волновые свойства (дифракция, интерференция, поляризация, дисперсия), а в ряде – чисто корпускулярные (фотоэффект, эффект Комптона)...

Русский

2012-12-07

82 KB

8 чел.

Корпускулярно волновой дуализм

Экспериментальные факты свидетельствуют, что в ряде явлений свет проявляет сугубо волновые свойства (дифракция, интерференция, поляризация, дисперсия), а в ряде – чисто корпускулярные (фотоэффект, эффект Комптона). Рассматривая эти факты, де Бройль предположил, что аналогичные проявления двойственности свойств должны иметь место для любого материального объекта. Импульс объекта определяет его длину волны  (1).

Данное утверждение было экспериментально подтверждено Дэвидсоном и Джермером, которые исследовали дифракцию электронных пучков на атомных плоскостях кристалла. Электронные пучки разгонялись в электрическом поле и их скорость определялась выражением  (2). Тогда длина волны де Бройля электрона  (3). Предполагалось, что дифракция электронных пучков будет аналогична дифракции рентгеновских лучей (рис.1) и условие дифракционных максимумов будет удовлетворять формуле Брэггов-Вульфа  (4). Длина волны рентгеновского излучения 1,67 нм. В опыте Девидсона и Джермера электронный пучок падал на кристалл перпендикулярно кристаллографической плоскости [111], отражался под углом и фототок фиксировался гальванометром (рис.2). В зависимости от напряжения, при прохождении которого разгонялись электроны, максимум дифракции фиксировался под углом . Для напряжений 44, 48, 54 В длина волны де Бройля составила 1,85 нм, 1,77 нм, 1,67 нм, что соответствовало рентгеновской длине волны, дифрагировавшей под заданными углами в опыте Брэггов-Вульфа.

Второй опыт был проделан Томпсоном. Электронный пучок дифрагировал на тонкой фольге, при этом наблюдалось полное совпадение электронных и рентгеновских максимумов. Тартаковский усовершенствовал опыт, увеличив время экспозиции и сведя электронный пучок к одиночным электронам и снова зафиксировал совпадение электронных и рентгеновских максимумов.

Таким образом, для вещества, как и для света, имеет место корпускулярно-волновой дуализм.

Принцип неопределенности Гейзенберга

В макромире работают законы классической механики и электродинамики, поэтому, для любого макрообъекта определено понятие траектории и любые кинематические и динамические параметры движения объекта могут быть измерены одновременно.

Для микрочастиц имеют место волновые свойства, поэтому, законы макромира при переходе в микромир претерпевают существенные изменения. Рассмотрим двухщелевой интерферометр, на который падает пучок  гипотетических параллельно движущихся частиц. Если перекрыть одну из щелей, на экране, расположенном за щелью, частицы после ее прохождения симметрично распределятся по обе стороны от центра щели (рис.3). Вероятность для частицы занять на экране координату х будет определяться некой функцией 1(x, t). Перекрывая вторую щель, получим аналогичную картину и вероятность для частицы определится функцией 2(x, t). Если открыть обе щели, на экране окажется интерференционная картина с максимумом в центре экрана, симметрично по отношению к щелям и вероятность обнаружения частицы в точке с координатой x в момент времени t будет равна сумме вероятностей

В микромире принципиально отсутствует понятие траектории, поэтому, координата и импульс микрочастицы могут быть одновременно измерены только с точностью до некоторой величины. Данное утверждение носит название принципа неопределенности Гейзенберга, а выражения

  (5)

 (6)

называются соотношениями неопределенности Гейзенберга. Выражение (6) легко получить из выражения (5), записав, что , так как импульс , а скорость , заменяя дифференциалы величин на их приращения, приходим к идентичности выражений (5) и (6).

Уравнение Шредингера

Для описания микрочастицы необходимо, чтобы были определены:

  1.  величины, задающие состояние частицы;
  2.  уравнение движения, определяющее изменение состояния частицы;
  3.  физические величины, доступные измерению и способ получения их значений в данном состоянии.

Для микрочастиц из-за соотношений неопределенности классическое определение состояния (координата и импульс, а следовательно и сила) не подойдет. В соответствии с корпускулярно-волновым дуализма в квантовой теории состояния частицы задается волновая функция , которая является комплексной величиной и формально обладает волновыми свойствами. Для волновой функции характерны следующие свойства:

1) с помощью волновой функции определяется вероятность  (7), то есть вероятность нахождения частицы в единице объема

2) волновая функция нормирована на единицу  (8), то есть, во всем пространстве, где волновая функция отлична от нуля, частица может быть достоверно найдена

3) для волновых функций имеет место принцип суперпозиции  что объясняет проявление волновых свойств частицы

4) так как волновая функция описывает реальные частицы, она должна быть конечной, непрерывной, гладкой и однозначно определяемой.

Рассмотрим свободную частицу, способную двигаться вдоль оси x в отсутствии внешних полей. Такая частица должна описываться плоской волной  (9) или, учитывая связь волнового числа и импульса , а также частоты и энергии , тогда выражение (9) примет вид   (10).

Продифференцируем (10) по времени и по координате:

   (11)

;   (12)

Учитывая связь энергии и импульса  для свободной частицы и следствия уравнений (11) и (12) , получим одномерное уравнение      (13).

В общем случаи  и в левой части берется сумма производных по координатам.

Последнее уравнение может быть записано, используя операторную форму. Вводя оператор полной энергии частицы – оператор Гамильтона  - сумму операторов кинетической и потенциальной энергии    (14) и оператор импульса , в декартовых координатах он примет вид , в одномерном случаи . Действие оператора потенциальной энергии сводится к его домножению на волновую функцию поэтому выражение (13) примет вид:   (14) – временное уравнение Шредингера.

В случаи, когда потенциальная энергия частицы не зависит от времени волновую функцию можно представить как произведение чисто временной и чисто координатной частей , тогда переменные в (14) разделяются и задача сводится к нахождению собственных функций и собственных значений оператора Гамильтона  (15) –стационарное уравнение Шредингера. Решая уравнение Шредингера находят волновую функцию и плотность вероятности положения частицы в пространстве.

d

ис.1. Дифракция Брэггов-Вульфа

G

[111]

Рис.2. Опыт Дэвидсона и Джэрмера

U

=1,85

=1,67

44 В

54 В

1

2

С1122

Рис.3. Волны вероятности


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

27766. Коррекция активно-волевых дефектов (слабоволие – причина многих отклонений поведения) 14.26 KB
  через насыщение любимым делом подойти к личному удовлетворению и к выполнению нелюбимой работы; – соблюдение дозировки всякой работы и постепенное увеличение нагрузки на ребенка; – интересно обставленный труд с желательным достижением поставленной цели и как следствие – самовоспитание и самообладание; – формирование стойкости и мужества перед естественными неудачами жизни. – физическое воспитание: естественные движения подвижные игры танцетворчество – физическое оздоровление и исправление слабости характера развитие выносливости выдержки...
27767. Функции социального педагога 18.81 KB
  Коррекционная: осуществление коррекции всех воспитательных влияний оказываемых на детей и подростков как со стороны семьи так и социальной среды в том числе и неформальной; усиление позитивных влияний и нейтрализация или переключение негативных влияний социальной среды. Социально – профилактическая и реабилитационная: организация системы профилактических мер по предупреждению отклоняющегося девиантного и преступного делинквентного поведения детей и подростков; влияние на формирование нравственно – правовой устойчивости; ...
27768. Педология 15.29 KB
  Несмотря на имевшиеся недостатки переоценивание роли биологических или социальных факторов в формировании ребенка использование технократических методов исследования отсутствие должного взаимодействия с другими науками педология внесла неоценимый вклад в развитие социальной педагогики. постановлением О педологических извращениях в системе Наркомпросов педология была объявлена лженаукой а педологи лжеучеными мракобесами и даже фашистскими прихвостнями и изгнаны из школы на них обрушились репрессии [4].
27769. Человек как жертва процесса социализации 17.19 KB
  Человек не только объект и субъект социализации. Это связано с тем что процесс и результат социализации заключают в себе внутреннее противоречие. Таким образом можно констатировать что в процессе социализации заложен внутренний до конца не разрешимый конфликт между степенью адаптации человека в обществе и степенью обособления его в обществе.
27770. Песталоцци 18.14 KB
  Передовая студенческая молодежь к которой принадлежал Песталоцци организовала кружок €œпатриотов€ находившийся под влиянием идей французских просветителей и в первую очередь Руссо. Цюрихские власти подвергли кратковременному аресту нескольких активных членов кружка в том числе и Песталоцци. Выйдя из тюрьмы Песталоцци не завершив своего образования поселился в деревне в имении Нейгоф чтобы организовать образцовое сельское хозяйство которое могло бы наглядно показать крестьянам как улучшить свое положение. Но этот утопический...
27771. Социальный педагог 16.1 KB
  Социальный педагог осуществляет социальнопедагогическую деятельность со всеми категориями населения: с детьми подростками молодежью взрослыми. Социальный педагог является связующим звеном между клиентом и его окружением посредником в системе взаимодействия личности семьи общества. или специализированных учреждениях отделение социальной помощи детский дом центр реабилитации социальный приют медикопсихологическая консультация телефон доверия центр занятости и трудоустройства и т.
27772. Планирования работы с неблагополучными семьями 18.87 KB
  Программа работы варьируется в связи с изменившимися условиями но обязательно заслушивается на заседании общественной инспекции по делам несовершеннолетних при администрации поселка или комиссии по делам несовершеннолетних и защите их прав о выполнении данной программы. Поэтому социальный педагог должен взаимодействовать с учителями классными руководителями семьей и ребенком приложить все усилия для результативной работы. Одна из форм работы социального педагога с семьей социальный патронаж представляющая собой посещение семьи на дому с...
27773. Педагогическая деятельность Л. Н. Толстого 25.96 KB
  Толстой вступил как он сам писал об этом позже в период трехлетнего страстного увлечения этим делом. Толстой считал что наступило время вспомним что тогда Россия переживала период первой революционной ситуации и подъема общественнопедагогического движения когда образованные люди страны должны активно помогать народным массам испытывавшим огромную потребность в образовании удовлетворить это их законное стремление не доверяя столь важного дела царской власти. Толстой систематически освещал в своем педагогическом журнале Ясная...
27774. Социализирующие функции семьи 26.46 KB
  На всех этапах социализации образовательный уровень семьи интересы ее членов сказываются на интеллектуальном развитии человека на том какие пласты культуры он усваивает на стремлении к продолжению образования и к самообразованию. Вчетвертых семья имеет важное значение в овладении человеком социальными нормами а когда речь идет о нормах определяющих исполнение им семейных ролей влияние семьи становится кардинальным. Ценности и атмосфера семьи определяют и то насколько она становится средой саморазвития и ареной самореализации ее...