Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Лекции по физике / 6.1.Волны де Бройля

.doc
Скачиваний:
31
Добавлен:
09.04.2015
Размер:
76.8 Кб
Скачать

§ 5. Волны де Бройля

Фотоэффект и эффект Комптона говорили о том, что свет – это частица. Явления интерференции и дифракции света говорили о том, что свет – это волна. А что такое свет на самом деле: волна или частица?

Свет это некое образование особого рода, обладающее одновременно волновыми и корпускулярными свойствами (корпускулярно – волновой дуализм).

В 1923 году выпускник Сорбонны французский физик принц Луи де Бройль высказал предположение (гипотезу) о том, что корпускулярно – волновой дуализм присущ не только свету, но и частицам вещества. Он рассуждал следующим образом. Кванты света с длиной волны имеют импульс , величина которого определяется по формуле:

.

Любой частице вещества, имеющей импульс , можно поставить в соответствие волну, длина волны которой определяется соотношением:

.

Оценим порядок длин волн, соответствующих нескольким частицам вещества.

  1. электрон, движущийся со скоростью 1000000 м/с=106 м/с

м;

  1. пылинка массой 1 мг=10-6 кг, движущаяся с скоростью 1 м/с

м.

Структур, соизмеримых с длиной волны пылинки нет, а для наблюдения дифракции быстрых электронов вполне подходит кристаллическая структура естественных кристаллов.

Соотношение де Бройля недолго оставалось гипотезой. Де Бройль предсказывал, что волны вещества можно будет обнаружить при изучении дифракции пучка частиц вещества на кристаллической структуре естественных кристаллов.

  1. При дифракции рентгеновских волн на кристаллической решетке положение максимумов интенсивности определяется из соотношения .Это формула Вульфа-Брэггов. – угол скольжения луча.

в 1927 году американские физики Клинтон Джозеф Дэвиссон (Davisson) (1881 – 1958) и Лестер Халберт Джермер (Germer) (родился в 1896) провели опыты по дифракции электронов на кристаллической решетке никеля. Электронам, ускоренным электрическим полем с разностью потенциалов 1000 В, сопутствует волна, длина волны которой ~1Å. Расстояние между узлами кристаллической решетки порядка нескольких Å. Дифракция таких электронов на кристаллической решетке возможна.

Углы скольжения, под которыми наблюдались максимумы интенсивности, соответствовали углам, рассчитанным по формуле Вульфа-Брэггов для длины волны рассчитанной по формуле де Бройля.

  1. Позже советский физик Петр Саввич Тартаковский и английский физик Джордж Паджет Томсон (Thomson) (1892 – 1975) провели эксперименты по дифракции электронов на тонкой фольге. Электронам ускоренным полем в десятки тысяч В сопутствуют волны, длины волн которых от 100 до 1000 Å. Эти быстрые электроны проникают сквозь тонкие поликристаллические пленки толщиной м. На экране была получена дифракционная картина, что в очередной раз подтвердило наличие волновых свойств у электронов.

  2. В 1949 году советские физики Биберман, Сушкин и Фабрикант повторили эксперимент по дифракции электронов с пучками очень малой интенсивности.

  3. Вскоре было доказано существование волновых свойств у протонов, затем нейтронов (сейчас важный метод исследования структуры вещества), атомных и молекулярных пучков.

Так возникло новое понятие. Микрочастица – это образование особого рода: частица+волна.

Все это привело к необходимости построения непротиворечивой теории, объясняющей процессы, происходящие в микромире. За короткий период в 12 месяцев, начиная с июня 1925-го года и по июнь 1926-го года, были опубликованы сразу три оригинальных и независимо сделанных варианта полной квантовой теории.

Первая – матричная квантовая механика – Вернером Гейзенбергом (1901-76).

Вторая – волновая механика – Эрвином Шредингером (1887-1961).

Третья – квантовая алгебра – Паулем Дираком (1902 - 1984).

Вскоре было показано, что все три варианта теории эквивалентны.

В. Гейзенберг отказался от попытки создать наглядную картину атома и построил формализованную (абстрактную) версию квантовой механики. Многим физикам было трудно согласиться с отказом от визуализации всех аспектов физического мира, поэтому они не восторженно отнеслись к теории Гейзенберга. В частности, Эрвин Шредингер не одобрил новую математически сложную и лишенную наглядности теорию. Он разработал другой вариант теории, основанный на концепции волн де Бройля. Шредингер верил в то, что его версия окажется более приемлемой для физиков и позволит вернуться к представлениям непрерывности и наглядности мира классической физики. Шредингер оказался прав только в первой части своих предположений.

Сегодня процессы в микромире описывают:

Квантовая механика – это физическая теория, описывающая явления атомного масштаба: движение элементарных частиц и состоящих из них систем со скоростями много меньшими скорости света.

Процессы с участием релятивистских микрочастиц, сопровождающиеся, как правило, изменением числа частиц, их рождением и поглощением, рассматриваются в квантовой теории поля.

Свойства систем из огромного числа частиц, движение которых подчинено законам квантовой механики, изучается в квантовой статистике.

Квантовая механика, квантовая статистика и квантовая теория поля в совокупности составляют квантовую теорию материи.

4