22.(26) Квантовые свойства материи.
Квант (физика) — минимальная единица, на которую может измениться значение физической величины.
Мате́рия (от лат. māteria «вещество») — общий термин, определяющийся множеством всего содержимого пространства-времени и влияющее на его свойства. Материя может находиться в одном из трех состояний это твердое, жидкое и газообразное состояние.
Материя состоит из атомов, элементов, соединений и молекул.
Элемент является кирпичиком в «постройке» материи. Все эти элементы вы можете наблюдать в Периодической системе Д. И. Менделеева.
Соединение - это комбинация более двух химических элементов, которая может быть разделена химическим способом. Примером здесь можно привести воду, которая состоит из кислорода и водорода.
Молекула – это комбинация двух и более атомов. Молекула сохраняет свойства соединения.
Атом – это наименьшая элементарная частица, сохраняющая свойства элемента в который она входит.
МИКРОЧАСТИЦА - частица весьма малой массы; к микрочастицам относят элементарные частицы, а также атомные ядра, атомы, молекулы; движение микрочастиц описывается квантовой механикой.
Понятие вакуума: (важно помнить, что вакуум тоже является материей!)
Вакуумом называют состояние газа или пара при давлении ниже атмосферного. Количественной характеристикой вакуума служит абсолютное давление.
Постоянная Планка - основная константа квантовой теории, коэффициент, связывающий величину энергии кванта электромагнитного излучения с его частотой. Согласно Планку, любое излучение (в том числе и свет) состоит из отдельных квантов. Вследствие этого энергия излучения всегда равна энергии целого числа квантов. Однако энергия отдельного кванта зависит от частоты.
E - энергия кванта, или квант энергии, (Дж)
n - частота излучения, (Гц)
h - постоянная Планка (квант действия), (Дж × с)
Фотон - элементарная частица, квант электромагнитного излучения. Это безмассовая частица, способная существовать в вакууме только двигаясь со скоростью света. Электрический заряд фотона также равен нулю.
23.(27) Корпускулярно- волновой дуализм света и микрочастиц.
Корпускулярно- волновой дуализм -важнейшее универсальное свойство природы, заключающееся в том, что всем микрообъектам присущи одновременно и корпускулярные и волновые характеристики. Так, напр., электрон, нейтрон, фотон в одних условиях проявляются как частицы, движущиеся по классич. траекториям и обладающие определ. энергией и импульсом, а в других - обнаруживают свою волновую природу, характерную для явлений интерференции и дифракции частиц. В качестве первичного принципа К.-в. д. лежит в основе квантовой механики и квантовой теории поля.
ИЛИ
Корпускулярно-волновой дуализм – свойство любой микрочастицы обнаруживать признаки частицы (корпускулы) и волны. Наиболее ярко корпускулярно-волновой дуализм проявляется у элементарных частиц. Электрон, нейтрон, фотон в одних условиях ведут себя как хорошо локализованные в пространстве материальные объекты (частицы), двигающиеся с определёнными энергиями и импульсами по классическим траекториям, а в других – как волны, что проявляется в их способности к интерференции и дифракции. Так электромагнитная волна, рассеиваясь на свободных электронах, ведёт себя как поток отдельных частиц – фотонов, являющихся квантами электромагнитного поля (Комптона эффект), причём импульс фотона даётся формулой р = h/λ, где λ – длина электромагнитной волны, а h – постоянная Планка. Эта формула сама по себе – свидетельство дуализма. В ней слева – импульс отдельной частицы (фотона), а справа – длина волны фотона. Дуализм электронов, которые мы привыкли считать частицами, проявляется в том, что при отражении от поверхности монокристалла наблюдается дифракционная картина, что является проявлением волновых свойств электронов. Количественная связь между корпускулярными и волновыми характеристиками электрона та же, что и для фотона: р = h/λ (р – импульс электрона, а λ – его длина волны де Бройля). Корпускулярно-волновой дуализм лежит в основе квантовой физики.
Понимая под светом все виды излучения - видимого, инфракрасного, ультрафиолетового, рентгеновского и др., отметим, что важность света как объекта окружающего нас мира содержится еще в древнем библейском: "Да будет свет!". Что же такое свет? Какова физическая природа света? Ответ на этот вопрос является принципиально важным как для понимания свойств окружающей природы, так и для развития физики в целом.
В
конце
Однако,
уже в начале
Итак, на первый взгляд, казалось, что теперь, объединив электромагнитные волны и фотоны в одном объекте, мы и ответим на вопрос о природе света. Свет есть волны и частицы. Однако, критическое изучение такого ответа показало несостоятельность простого механического объединения волн и частиц. Оказалось, что представления об электромагнитной волне и представления о потоке частиц исключают друг друга. Световая волна представляет собой нелокализованное электромагнитное поле, распределенное по пространству. Объемная плотность энергии электромагнитного поля волны, пропорциональная квадрату ее амплитуды, может изменяться на сколь угодно малую величину, то есть непрерывно. В отличие от волны, фотон, как световая частица, в данный момент времени локализован вблизи некоторой точки пространства и со временем перемещается в пространстве. Световая энергия в такой модели изменяется не непрерывно, а только дискретно, оставаясь всегда кратной минимальной порции (кванту) энергии, которую несет одиночный фотон. Как же непротиворечивым образом в одном материальном объекте объединить противоположности, казалось бы, исключающие друг друга? Ответ на этот вопрос содержался еще в работах крупнейших философов, которые пришли к выводу о том, что материальные объекты природы могут обладать внутренними противоречиями, объединяя в себе противоположные качества. Так, например, идея о единстве и борьбе противоположностей составляет основу диалектики Гегеля. Именно так, диалектически, современная физика отвечает на вопрос о природе света. Свет есть материальный объект, обладающий как волновыми, так и корпускулярными свойствами. В различных физических процессах эти свойства могут проявляться в различной степени. При определенных условиях, то есть в ряде оптических явлений свет проявляет свои волновые свойства. В этих случаях мы должны рассматривать свет как электромагнитные волны. В других оптических явлениях свет проявляет свои корпускулярные свойства, и тогда его следует представлять как поток фотонов. Иногда, оптический эксперимент можно организовать так, что свет будет проявлять в нем как волновые, так и корпускулярные свойства. Действительно, в опыте Комптона (см. рис. 1.14) на первом этапе рассеяния излучения на мишени оно ведет себя как поток фотонов, но в измерительном блоке это же излучение как электромагнитная волна испытывает дифракцию на кристаллической решетке. Существуют оптические явления, которые могут быть объяснены качественно и количественно как волновой, так и корпускулярной теориями света. Так, например, обе эти теории приводят к одинаковым соотношениям для давления, оказываемого светом при падении его на вещество. Это объясняется тем, что любая модель, и волновая, и корпускулярная учитывает наличие у света таких материальных характеристик как энергия, масса, импульс. Итак, в результате углубления представлений о природе света, выяснилось, что свет обладает двойственной природой, получившей название корпускулярно-волнового дуализма света. С некоторыми объектами свет взаимодействует как волна, с другими - подобно потоку частиц. Однако, "не одна из этих картин (корпускулярная или волновая) не может сказать нам всей правды о природе света" - писал Д.Джинс. И хотя эти картины даже противоположны друг другу, одна картина дополняет другую. "Противоположности не противоречия, а дополнения" - гласит девиз Н.Бора. Спор волновой и корпускулярной теорий света не привел ни к окончательной победе, ни к поражению какой-либо одной из них. В этом споре родилось качественно новое понимание природы света, объединяющее эти теории и отвечающее на вопрос "что такое свет?" диалектически. В физике свет оказался первым объектом, у которого была обнаружена двойственная, корпускулярно-волновая природа. Как мы увидим в последующих разделах курса, дальнейшее развитие физики значительно расширило класс таких объектов. В заключение укажем, что еще более тесно волны и частицы света можно связать, если предположить, что движение фотона подчиняется статистическим вероятностным законам, которые определяются волновым электромагнитным полем. Действительно, будем считать, что квадрат амплитуды электромагнитной волны, то есть ее интенсивность определяет в каждой точке пространства вероятность попадания в нее фотона и, следовательно, концентрацию фотонов в этой точке светового потока. Тогда явление интерференции света, проходящего через экран с двумя щелями, можно объяснить и с точки зрения корпускулярной теории света. При падении на экран одной световой волны вероятность попадания фотона в различные точки экрана одинакова, и мы наблюдаем равномерную освещенность экрана. При прохождении света через две щели вероятность попадания фотона в различных точках экрана изменяется. В местах интерференционных максимумов эта вероятность резко увеличивается, а в местах интерференционных минимумов - уменьшается. Тем самым, поток фотонов перераспределяется в пространстве и этим перераспределением управляет волновое поле. Такой способ объединения корпускулярных и волновых свойств материальных объектов, когда с помощью волн мы описываем движение частиц, лежит в основе квантовой механики |
столетия казалось, что ответ на вопрос
о природе света найден и доказан
экспериментально - свет есть
распространяющиеся в пространстве
электромагнитные волны. Волновая
теория света, исходя из такого
представления о природе света, на
основе общих свойств волновых процессов
объяснила такие оптические явления
как интерференция света, дифракция
света, поляризация света и др.
века при исследовании взаимодействия
света с веществом были обнаружены
такие оптические явления как фотоэффект,
эффект Комптона, фотохимические
реакции и др. При объяснении этих
явлений представления о том, что свет
есть распространяющиеся в пространстве
электромагнитные волны, оказались
несостоятельными. Предсказания
волновой теории света пришли в
противоречие с наблюдаемыми в
экспериментах закономерностями
явлений квантовой оптики. Объясняя
эти явления, в 1905 г. Эйнштейн выдвинул
корпускулярную теорию света, которая,
развивая идеи Ньютона о световых
корпускулах, рассматривала свет как
поток большого числа частиц, названных
фотонами. Фотонная теория света легко
объяснила все качественные и
количественные закономерности явлений
квантовой оптики.