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

78655. Регион как территориальный социально-экономический комплекс. Основные характеристики 28.5 KB
  Она исследует экономические явления и процессы связанные с рыночным развитием хозяйства отдельных регионов и их включением в единое экономическое пространство России. Основные черты : узкая специализация регионов с доминированием какоголибо одного комплекса: рыбопромышленного мясомолочного военнопромышленного и т. Типы проблемных регионов: слаборазвитые хронически отстают от среднероссийского уровня экон.
78656. Устойчивое развитие регионов как фактор стабильности национальной экономики 76 KB
  Национальная экономика – совокупность сфер и отраслей народного хозяйства страны. Основой национальной экономики является общественное воспроизводство (единый процесс возобновления материальных благ, производственных отношений и рабочей силы).
78657. Налоговое бремя экономики и его измерение 31.5 KB
  Проблема тяжести налогового бремени волнует различных агентов хозяйственной деятельности: государство как субъект управления хозяйственной деятельностью на своей территории и перераспределения доходов от нее в виде налогов в пользу прочих элементов государственной и социальной жизнедеятельности; организации и предприятия как объекты управляющего воздействия государства и субъекты собственно предпринимательской деятельности обеспечивающие формирование источника предпринимательского дохода и соответственно налогооблагаемой базы; ...
78658. Налоговая политика: сущность, содержание и механизмы реализации 26.5 KB
  Налоговая политика: сущность содержание и механизмы реализации. Налоговая политика комплекс правовых действий органов власти и управления определяющий целенаправленное применение налоговых законов. Налоговая политика является частью финансовой политики. Экономическая обоснованная налоговая политика преследует цель оптимизировать централизацию средств через налоговую систему.
78659. Инвестиции - источники формирования и объекты вложений (инвестирования) 32 KB
  Инвестиции источники формирования и объекты вложений инвестирования. Инвестиции от лат. Выделяют также производственные инвестиции направляемые на новое строительство реконструкцию расширение и техническое перевооружение действующих предприятий и интеллектуальные вкладываемые в создание интеллектуального духовного продукта; контролирующие прямые инвестиции обеспечивающие владение более чем 50 голосующих акций другой компании и неконтролирующие обеспечивающие владение менее чем 50 голосующих акций другой компании. В зависимости...
78660. Принцип построения транспортной сети России 104 KB
  Транспортной система России: положение и общая характеристика. Транспортная система России: общее строение. Железнодорожный транспорт. Трубопроводный транспорт. Водный транспорт. Морской транспорт. Внутренний водный транспорт. Автомобильный транспорт. Воздушный транспорт. Электронный транспорт...
78661. Рентабельность. Виды и методика расчета ее уровня 31.5 KB
  Рентабельность. РЕНТАБЕЛЬНОСТЬ от нем. Количественно рентабельность исчисляется как частное от деления прибыли на затраты расход ресурсов обеспечивающих получение прибыли. Рентабельность продукции определяется как отношение прибыли от ее реализации к себестоимости.
78663. Корпоративное управление как важнейший фактор экономического роста 39 KB
  Надлежащий режим корпоративного управления способствует эффективному использованию корпорацией своего капитала подотчетности органов ее управления как самой компании так и ее акционерам. В результате формирования такой структуры акционерного капитала утвердилась ориентация крупных акционеров не на повышение доходов по акциям компании не на рост ее капитализации а на сохранение существующих взаимоотношений с предприятием. В самом общем виде общепризнанные международные принципы корпоративного управления сводятся к следующему: структура...