Корпускулярно-волновой дуализм микрообъектов. Квантово-механическое описание процессов в микромире. Волны де Ьроиля и волновая" функция.

Французский ученый Луи де Бройль (1892-1987),осознавая существующую в природе симметрию и развивая представления о двойственной корпускулярно-волновой природе света, выдвинул в 1923гипотезу об универсальности корпускулярно-волнового дуализма. Он утверждал, что не только фотоны, но и электроны и любые другие частицы материи наряду с корпускулярными обладают волновыми свойствами. Согласно де Бройлю, с каждым микрообъектом связываются, с одной стороны, корпускулярные характеристики -энергия и импульс, а с другой -волновые характеристики -частота и длина волны.

Эта формула справедлива для любой частицы с импульсом р.

Впоследствии дифракционные явления были обнаружены для нейтронов, атомных и молекулярных пучков Это окончательно послужило доказательством наличия волновых свойств микрочастиц и позволило описывать их движение в виде волнового процесса, характеризующегося определенной длиной волны, рассчитываемой формуле де Бройля.

Наличие волновых свойств микрочастиц -универсальное явление, общее свойство материи. Но волновые свойства макроскопических тел не обнаружены экспериментально, поэтому макроскопические тела проявляют только одну сторону своих свойств -корпускулярную.

Подтвержденная экспериментально гипотеза де Бройля о корпускулярно-волновом дуализме свойств вещества коренным образом изменила представления о свойствах микрообъектов. Всем микрообъектам присущи и корпускулярные, и волновые свойства :для них существуют потенциальные возможности проявить себя в зависимости от внешних условий либо в виде волны, либо в виде частицы.

После создания квантовой механики возникли новые проблемы, в частности проблема, связанная с пониманием физической природы волн де Бройля. Дифракционная картина для микрочастиц -это проявление статистической (вероятностной) закономерности, согласно которой частицы попадают в те места, где интенсивность волн де Бройля наибольшая. Необходимость вероятностного подхода к описании микрочастиц -важная отличительная особенность квантовой теории. Борн в 1926предположил, что по волновому закону меняется не сама вероятность, а амплитуда вероятности, названная волновой функцией. Описание состояния микрообъекта с помощью волновой ф-ции имеет,статестический вероятностный характер: квадрат модуля волной ф-ции (квадрат модуля амплитуды волн де Бройля) определяет вероятность нахождения в данный момент времени в определенном ограниченно объеме. В квантовой механике состояния микрочастиц описываются с помощью волновой ф-ции, которая является основным носителем информации об их корпускулярных и волновых свойствах.

№28

Атомные ядра и нуклоны. Изотопы. Дефект массы и энергия связи ядер. Деление ядер и термоядерный синтез. Цепная реакция.

Согласно протонно-нейтронной модели атомные ядра состоят из элементарных частиц двух видов: протонов и неитронов. Протоны -это элеменарные частицы, которые являются ядрами атомов легчайшего элемента - водорода. Число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента в таблице Менделеева и обозначаетсяZ. Протон имеет положительный электрический заряд, по абсолютному значению равный элементарному электрическому заряду. Протон имеет конечные размеры порядка 10^-13см, хотя его нельзя представить как твердый шарик, скорее он напоминает облако с размытой границей, состоящее из рождающихся и аннигулирующих виртуальных частиц. Нейтроны электрически нейтрален т е его заряд равен 0.Нейтрон устойчив только в составе стабильных атомных ядер, свободный нейтрон распадается на электрон, протон и электронное антинейтрино. В веществе в свободном виде нейтроны существуют еще меньше времени вследствие сильного поглощения их ядрами. Общее название протона и нейтрона -нуклон. В ядре нуклоны связаны силами особого рода -ядерными. Проведенные измерения показали, что размеры ядер атомов всех элементов порядка Ю-¹⁵ -Ю-¹⁴м, что в десятки тысяч раз меньше размеров атома.

Изотопы -разновидности атомов одного и того же химического элемента, отличающиеся числом нейтронов всоставе ядра. Химически простые

природные вещества являются смесью изотопов.

Мааса ядра определяется массой входящих в его состав нейтронов и протонов. Поскольку любое ядро состоит из Zпротонов и NнейтроновN=A-Zгде А -массовое число нуклонов в ядре, то на первый взгляд масса ядра должна просто равняться сумме масс протонов и нейтронов. Однако, как показывают результаты измерений, реальная масса всегда меньше такой суммы. Их разность получила название дефекта массы Дт.

Минимальная энергия ДЕ„ ,которую нужно затратить для разделения атомного ядра на составляющие его нуклоны, называется энергией связи ядра Эта энергия расходуется на совершение работы против действия ядерных сил притяжения между нуклонами. На основании закона сохранения энергии можно утверждать, что при образовании ядра из отдельных нуклонов выделяется энергия, равная энергии связи. Энергия связи очень

велика С энергией связи непосредственно связано происхождение дефекта массы. Ее, =Дтс .

Деление атомных ядер -это особый процесс, характерный только для самых тяжелых ядер, начиная от тория и далее в сторону больших Z.Этот процесс может происходить под действием различных частиц (в основном нейтронов) и носит характер ядерной реакции. Но может происходить спонтанно и носить характер особого вида радиоактивного распада. Суть процесса деления состоит в раскалывании тяжелого ядра на два осколка с примерно равными зарядами и массами. Чтобы деление произошло, ядро должно деформироваться, вытянуться, что требует первоначальных затрат энегрии Эту энергию оно получает при захвате какой-то частицы. Другой способ -чем тяжелее ядро, тем меньше период спонтанного деления.

Так как между атомными ядрами на малых расстояниях действуют ядерные силы притяжения, при сближении двух ядер возможно их слияние, т е синтез более тяжелого ядра. Ядра должны обладать достаточной кинетической энергией, чтобы преодолеть электростатическое отталкивание. В природе реакции синтеза происходят в очень горячем веществе: в недрах звезд. Ядерный синтез, происходящий в разогретом веществе, называется термоядерным. Особенность термоядерных реакций как источника энергии -очень большое ее выделение на единицу массы реагирующих веществ

-в 10млн раз больше, чем в химических реакциях.

Цепная реакция была открыта в 1939году: выяснилось, что при попадании в ядро одного нейтрона оно делится на две-три части. Было также обнаружено что при делении ядер урана, кроме осколков, вылетают также 2-3свободных нейтрона. При благоприятных условиях они могут попасть в другие ядра урана и вызвать их деление. Необходимое условие для осуществления цепной реакции -наличие большого кол-ва урана-235, так как для пазпушения ядер изотопа урана-238 энергия нейтронов недостаточна.

№22

Тепловое (равновесное) излучение электромагнитных волн. Гипотеза Планка. Двойственная природа света и ее проявлений.

В 1887году Герц при освещении цинковой пластины, соединенной со стержнем электрометра, обнаружил явление фотоэлектрического эффекта. С поверхности металлической пластины под действием света вырываются отрицательные электрические заряды. Измерение заряды и массы частиц, вырываемых светом, показало, что эти частицы -электроны. Явление испускания электронов веществом под действием электромагнитного излучения называется фотоэффектом.Количественные закономерности фотоэффекта были установлены в 1888-1889 Столетовым :1)сила тока насыщения прямо пропорциональна интенсивности светового излучения, падающего на поверхность тела;

^максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и нее зависит от интенсивности светового излучения;' 3)если частота света меньше некоторой определенной для данного вещества минимальной частоты, то фотоэффект не наблюдается (красная граница фотоэффекта). Объяснения основных законов фотоэффекта были даны в 1905Эйнштейном на основании квантовых представлений. Электромагнитная теория Максвелла не смогла объяснить процессы испускания и поглощения света, фотоэлектрического эффекта. Теория Лоренца в свою очередь не смогла объяснить многие явления, связанные с взаимодействием света с веществом, в частности вопрос о распределении энергии но длинам волн при тепловом излучении абсолютно черного тела.

Перечисленные затруднения и противоречия были преодолены благодаря смелой гипотезы, высказанной в 1900немецким физиком Планком, согласно которой излучение света происходит не непрерывно, а дискретно, то есть определенными порциями (квантами), энергия которых определяется частотой :E=hv, гдеh- постоянная Планка. Теория Планка не нуждается в понятии об эфире, она объясняет тепловое излучение абсолютно черного тела.

Эйнштейн в 1905создал квантовую теорию света: не только излучение света, но и его распространение происходят в виде потока световых квантов-фотонов.

Все многообразие изученных свойств и законов распространения света, его взаимодействия с веществом показывает, что свет имеет сложную природу :он представляет собой единство противоположных свойств —корпускулярного (квантового) и волнового(электромагнитного). Длительный путь развития привел к современным представлениям о двойственной корпускулярно - волновой природе света.Свет представляет собой единство дискретности и непрерывности, что находится в полном соответствии с выводами материалистической диалектики.