Реферат: Гипотеза Де Бройля
Квантоваяприрода света. Волновые свойства света, обнаруживаемые в явлениях интерференции и дифракции, и корпускулярные свойства света, проявляющиеся прифотоэффекте и эффекте Комптона,кажутся взаимно исключающими друг друга. Однако такие противоречия существовали лишь в классической физике. Квантовая теория полностью объясняет сединых позиций все свойства света. Характерной чертой квантовой теории света является объяснение всех явлений, в том числеи тех, которые ранее казались объяснимыми лишь с позиций волновой теории. Например, явления интерференции идифракции света квантовая теорияописывает как результат перераспределения фотонов в пространстве.
Распределение фотонов в пучкахсвета при интерференции и дифракции описывается статистическими законами, дающими те же результаты, чтои волновая теория. Однако торжество современной квантовой теории в объяснениивсех световых явлений не означает, что никаких волн в природе нет.
Волновые свойства электрона.Полному отказу отволновых представленийо природе света препятствуют не только сила традиции, удобство волновой теории и трудность современной квантовой теории. Есть и более серьезная причина.В 1924 г. французский физик Луи де Брой ль впервые высказал идею, согласно которой одновременное проявлениекорпускулярных и волновых свойств присуще нетолько свету, но и любому другомуматериальному объекту. Эта идея была лишь теоретической гипотезой, таккак в то время наука не располагала экспериментальнымифактами, которые бы подтверждали существование волновых свойств уэлементарных частиц и атомов. В этом заключалось существенное отличие гипотезыде Бройля о волновых свойствах частиц отгипотезы Эйнштейна о существовании фотонов света, выдвинутой им после открытия явления фотоэффекта.
Гипотеза де Бройля существовании волн материи была детально разработана, и полученные изнее следствия могли быть подвергнуты экспериментальной проверке. Основноепредположение де Бройлязаключалось в том, что любой материальный объект обладает волновыми свойствами и длина волны связана с его импульсом таким же соотношением, каким связаны между собой длина световой волны и импульс фотона. Найдем выражение, связывающее импульс фотона р сдлиной волны света <img src="/cache/referats/19554/image002.gif" v:shapes="_x0000_i1025"> фотонаопределяется формулой:
P=mc(1)
<img src="/cache/referats/19554/image004.jpg" v:shapes="_x0000_i1026">
Л. Де Бройль
<img src="/cache/referats/19554/image006.jpg" v:shapes="_x0000_i1027"> <img src="/cache/referats/19554/image008.jpg" v:shapes="_x0000_i1028">
рис.1 рис.2
Из уравнения
Е=mс2=hv(2)
можноопределить массу фотона:
<img src="/cache/referats/19554/image010.gif" v:shapes="_x0000_i1029"> (3)
Учитываяэто, можно формулу преобразовать так:
<img src="/cache/referats/19554/image012.gif" v:shapes="_x0000_i1030"> (4)
Отсюдаполучаем для длины световой волны формулу:
<img src="/cache/referats/19554/image014.gif" v:shapes="_x0000_i1031"> (5)
Еслиэто выражение справедливо, как предположил де Бройль, длялюбого материального объекта, то длина волны тела массойт, движущегося со скоростью v,может быть найдена так:
<img src="/cache/referats/19554/image016.gif" v:shapes="_x0000_i1032"> (6)
Первое экспериментальноеподтверждение гипотезы де Брой-ля подучили в 1927 г. независимо друг от другаамериканские физики К. Д. Дэвиссон и Л. X. Джермер и английский физик Д.П. Томсон. Дэвиссон и Джермер изучали отражение электронныхпучков от поверхности кристаллов на установке, схема которой изображена нарисунке 1. Перемещая приемник электроновпо дуге окружности, центр которой находится в месте падения электронного пучка на кристалл, ониобнаружили сложную зависимость интенсивности отраженного пучка от угла рис. 2. Отражение излучения только под определеннымиуглами означает, что это излучениепредставляет собой волновой процесс и егоизбирательное отражение есть результат дифракции на атомах кристаллической решетки. По известным значениямпостоянной кристаллической решетки и dугла <img src="/cache/referats/19554/image018.gif" v:shapes="_x0000_i1033"> дифракционногомаксимума можнопо уравнению Вульфа — Брэггов
2d sin<img src="/cache/referats/19554/image018.gif" v:shapes="_x0000_i1034"><img src="/cache/referats/19554/image002.gif" v:shapes="_x0000_i1035">
вычислить длину волныдифрагировавшего излучения и сопоставить ее с дебройлевскойдлиной волны электронов <img src="/cache/referats/19554/image022.gif" v:shapes="_x0000_i1036">, вы
численной по известному ускоряющему напряжению U:
<img src="/cache/referats/19554/image024.gif" v:shapes="_x0000_i1037">
Вычисленная таким образом изопытных данных длина волны совпала по значению с дебройлевскойдлиной волны.
Интереснырезультаты другого опыта, в котором пучок электронов направлялся намонокристалл, но расположение приемника и кристалла не изменялось. При измененииускоряющего напряжения, т. е. скоростиэлектронов, зависимость силы тока черезгальванометр от ускоряющего напряжения имела вид, представленный на рисунке 3. Электронный пучокиспытывал наиболее эффективноеотражение при скоростях частиц, удовлетворяющих — условию дифракционного максимума.
Последующие эксперименты полностьюподтвердили правильность гипотезы де Бройля и возможностьиспользования уравнения (6) для расчета длины волны, связаннойс любым материальным объектом. Обнаружена дифракция не только элементарныхчастиц (электрон, протон, нейтрон), но и атомов.
Выполнив расчеты длины дебройлевскойволны для различных материальных объектов, можно понять, почему мыне замечаем в повседневной жизни волновых свойств окружающих нас тел. Их длиныволн оказываются столь малыми, что проявление волновых свойствневозможно обнаружить. Так, для пули массой 10 г, движущейся соскоростью 660 м/с, длина дебройлевской волны равна:
<img src="/cache/referats/19554/image026.gif" v:shapes="_x0000_i1038">
Дифракцияэлектронов на решетке кристалла никеля становится заметной лишь при таких скоростяхдвижения электронов, при которых их дебройлевская длина волны становитсясравнимойс постоянной решетки.
<img src="/cache/referats/19554/image028.jpg" v:shapes="_x0000_i1039"> <img src="/cache/referats/19554/image030.jpg" v:shapes="_x0000_i1040">
рис. 3 рис.4
При этомусловии дифракционная картина, получаемая от электронного пучка, становитсяподобнойкартине дифракции пучка рентгеновских лучей с такой же длиной волны. На рисунке 4 представленыфотографии дифракционных картин,наблюдающихся при прохождении пучка света (а) ипучка электронов (б) у краяэкрана.
Гипотеза де Бройля и атом Бора. Гипотеза о волновойприродеэлектрона позволила дать принципиально новое объяснение стационарнымсостояниям в атомах. Для того чтобы понять это объяснение, выполним сначала расчет длиныдебройлевской волныэлектрона, движущегося по первой разрешенной круговой орбите в атоме водорода. Подставив в уравнение (6) выражение для скорости электрона на первой круговойорбите, получим:
<img src="/cache/referats/19554/image032.gif" v:shapes="_x0000_i1041"> (7)
Это значит, что ватоме водорода, находящемся в первом стационарномсостоянии, длина дебройлевской волны электрона в точности равна длинеего круговой орбиты! Для любой другой орбитыс порядковым номером п получаем:
<img src="/cache/referats/19554/image034.gif" v:shapes="_x0000_i1042"> (8)
Этот результат позволяет выразить постулат Бора о стационарных состояниях втакой форме: электрон вращается вокруг ядра неопределенно долго, не излучая энергии,если на его орбите укладывается целое число длин волн де Бройля.
Такая формулировка постулата Бора соединяет в себе одновременно утверждение о наличии у электронаволновых и корпускулярных свойств, отражаяего двойственную природу. Соединениеволновых и корпускулярных свойств в этом постулате происходит потому, что прирасчете длины волны электрона <img src="/cache/referats/19554/image002.gif" v:shapes="_x0000_i1043"> используется модуль скорости <img src="/cache/referats/19554/image037.gif" v:shapes="_x0000_i1044">, полученный при расчете движения электрона как заряженнойчастицы по круговой орбите радиуса r.
Взаимные превращения света и вещества.Глубокоеединство двух различных формматерии — вещества в виде различных элементарныхчастиц и электромагнитного поля в виде фотонов — обнаруживается не только в двойственной корпускулярно-волновой природевсех материальных объектов, но главным образом в том, что все известныечастицы и фотоны взаимно превращаемы.
Самый известный пример взаимных превращений частиц — это превращение пары электрон — позитрон в два или три гамма-кванта. Этот процесс наблюдается при каждойвстрече электрона с позитроном и называется аннигиляцией (т.е. исчезновением). При аннигиляциистрого выполняются законы сохранения энергии, импульса, момента импульса и электрического заряда (электрон и позитрон обладают равными зарядамипротивоположного знака), но материя вформе вещества исчезает, превращаясь в материю в форме электромагнитногоизлучения.
Процесс, обратныйаннигиляции, наблюдается при взаимодействии гамма-квантов с атомными ядрами.Гамма-квант, энергия которого превышает энергию покоя Ео=2m0c2пары электрон — позитрон, можетпревратиться в такую пару.
Таким образом,материя не только многообразна в своих формах, но и едина в своей сущности.Разделение материальных объектов на отдельные группы и виды условно и относительно.