Корпускулярно хвильовий дуалізм електромагнітного випромінювання. Фотони їх маса та імпульс

Корпускуля́рно-хвильови́й дуалі́зм — запропонована Луї де Бройлем гіпотеза про те, що будь-яка елементарна частка має хвильові властивості, а будь-яка хвиля має властивості, характерні для частинки.

Де Бройль висловив гіпотезу, що справедливе обернене твердження: будь-яка елементарна частинка має також хвильові властивості. Він оцінив довжину хвилі частинки, виходячи з енергетичних міркувань. Якщо електромагнітна хвиля з частотою ν має енергію hν, де h — стала Планка, то схожим чином можна визначити також частоту (а отже, й довжину хвилі) інших частинок, наприклад, електронів.

Енергія частинки згідно з положеннями теорії відностності залежить від її маси. Тоді для визначення довжини хвилі де Бройля λ можна скористатися співвідношенням

Електромагн́ітне випром́інювання — взаємозв́язані коливання електричного (Е) i магнітного (B) полів, що утворюють електромагнітне поле. Розповсюдження Е.в. здійснюється за допомогою електромагнітних хвиль. Е.в. представляє собою потік фотонів, який тільки при великій їх (фотонів) кількості можна розглядати як неперервний процес.

Розрізняють вимушені (під впливом зовнішніх джерел) і власні електромагнітні коливання. В необмеженому просторі або в системах з втратами енергії можливі електромагнітні коливання з неперервним спектром частот. Просторово обмежені системи мають дискретний спектр частот причому кожній частоті відповідає один або кілька незалежних типів коливаннь (мод).

Фото́н — квант електромагнітного поля, елементарна частинка, що є носієм електромагнітної взаємодії.

Фотони не мають електричного заряду. Їхні основні характеристики: енергія, зв'язана з частотою за допомогою формули

Фотон є істинно-нейтральною частинкою, що означає, що його античастинка є тим самим фотоном. Імпульс фотона визначають за формулою

Фізика атомів молекул та твердого тіла Експериментальні докази хвильових властивості мікрочастинок. Корпускуляр дуалізм речовини

З квантової точки зору світло ― це фотони з енергією Е і імпульсом Р:

Ліві частини системи є ознаками частинок (корпускул), а праві частини (частота й довжина хвилі) є ознаками електромагнітних хвиль. В формулах відображено дуалізм (хвиля-частинка) світла. З одного боку світло схоже на газ, який складається з фотонів з енергією Е і імпульсом Р, а з другого боку воно є неперервною електромагнітною хвилею з частотою v. В різних експериментальних умовах світло проявляє або корпускулярні, або хвильові властивості.

Співвідношення невизначеності та хвильові властивості мікрочастинок. Границя застосування класичної механіки

Класична механіка базується на законах Ньютона і є частковим випадком сучасної фізики. Визначальними параметрами є c=10⁸ м/с – швидкість світла у вакуумі, та M_a – маса тома (M_a10^–27кг). Якщо маса досліджуваного тіла значно перевищує масу атома (m>>M_a), а швидкість тіла значно менша за швидкість світла у вакуумі (v << с), то явище можна вивчати у межах класичної механіки. Якщо швидкість тіла порівнянна із параметром с, то маємо справу із релятивістьсою механікою (теорією відносності). Квантова механіка вивчає мікросвіт із обєктами малих розмірів та мас.

Рівняння Шредінгера. Хвильова функція її фізичний зміст

Рівняння Шредінгера

. , – хвильовафункціякоординат і часу;

– масачастинки;

• – операторЛапласа (

– потенціальнаенергіячастинки в силовому полі, в якомурухаєтьсячастинка .

– уявнаодиниця.

РівняннятакожназиваютьрівняннямШредінгера, щозалежитьвідчасу, оскількивономіститьпохіднувідфункціїпочасу.

Хвильова функція, або псі-функція — основний математичний об'єкт квантової механіки при її формулюванні, як хвильової механіки.

У найпростішому випадку це комплексна квадратичноінтегровна функція координат та часу, асоційована з певним фізичним об'єктом, наприклад, з елементарними частинками, або з фізичною системою.

Хвильова функція означена з точністю до довільного множника у формі eiα, де α - будь-яке дійсне число. Підстановка функції

Будова атома. Теорія Бора. Рівняння Шредігера для атомів водню

Ядра всіх атомів складаються з протонів (електричний заряд +е, маса mp=1,67·10-27кг) і нейтронів (заряд рівний нулю, маса mn=1,675·10-27кг). Спільна назва протонів і нейтронів – нуклони. Нуклони – складові частинки ядра. Між нуклонами діють короткодіючі сили притягання – ядерні сили.

Атоми, які мають однаковий заряд ядра, але різну масу, називаються ізотопами. Ізотопи ядра хімічного елемента мають однакове число протонів, але різне число нейтронів у складі ядра. Всі ізотопи одного і того самого елемента мають однакові хімічні властивості, але можуть відрізнятись радіоактивністю.

Перший постулат Бора

В атомі існують деякі стаціонарні стани, які не змінюються в часі без зовнішніх впливів. У цих станах атом не випромінює електромагнітних хвиль.

Другий постулат Бора

При переході атома з одного стаціонарного стану в інше їм випускається або поглинається один квант енергії.

hn = En2 – En1

А́томво́дню — найпростіший із атомів хімічних елементів.

Він складається з позитивно зарядженого ядра, яке для основного ізотопа є просто протоном, і одного електрона.

Бор розробив теорію атома водню, яка була підтверджена експериментально. В основі борівської теорії атома лежать два основні постулати:

1) Електрони можуть рухатись в атомі тільки по певних орбітах, перебуваючи на яких вони, незважаючи на наявність у них прискорення, не випромінюють (постулат стаціонарних атомів).

2) Правило квантування орбіти: в стаціонарному стані атома електрони, рухаючись по колових орбітах, повинні мати дискретні, квантові значення моменту імпульсу, що відповідає умові:

де m – маса електрона, V, r – швидкість електрона на n – й орбіті та її радіус, h – стала Планка.

3) Правило частот: атом випромінює або поглинає квант електромагнітної енергії при переході електрона з одного стаціонарного стану в інший.

Енергія кванта дорівнює різниці енергії стаціонарних станів електрона до Е2 і після Е1 переходу:

Квантування енергії механічного та магнітних моментів орбітального руху електронів. Спектр атома водню. Спін електрона

Спін електрона – це квантова величина, у неї немає класичного аналога це внутрішня невід'ємне властивість електрона, подібна його заряду і мас.

Багатоелектронні атоми. Принцип Пауля. Розподіл електронів в атомах по енергетичних станах. Періодична система елементів

Паулі встановив квантомеханічний закон – принцип Пауля. Пауль заперечує накопичення електронів на самому нищому енергетичному рівні. Принцип пауля: в любій системі, що має багато електронів, в стаціонарному стані, що визначається набором 4 квантових чисел, не може бути одного електрона. Або В одному і тому ж атомі не може бути більше одного елекрона з однаковими набором чотирьох квантових чисел.

Сукупність електронів в багато електронному атомі, що має одне й те саме квантове число n – електронна оболонка. В кожній із оболонок електрони розділяються на під оболонки. Оскільки орбітальне квантове число має значення від 0 до n-1, число під оболонок = порядковому номеру n оболонки. К-сть електронів в під оболонці визначається магнітним та магнітним квантовим числом.

Періоди́чнасисте́маелеме́нтів-класифікаціяхімічних елементів, розроблена на основі періодичного закону.Формулювання його: властивості елементів перебувають у періодичній залежності від заряду їхніх атомних ядер. Заряд ядра Z дорівнює атомному (порядковому) номеру елемента в системі. Елементи, розташовані за зростанням Z. утворюють 7 періодів. Період — сукупністьелементів, щопочинаєтьсялужнимметалом та закінчуєтьсяблагороднимгазом .У 2-у і 3-у періодах — по 8 елементів, у 4-у і 5-у — по 18, у 6-у 32. Вертикальністовпці — групиелементів з подібнимихімічнимивластивостями.

Хімічні і фіз. Властивості залежать від валентних електронів.

Валентність – існування незалежних зон

Рентгенівські спектри атомів

Рентгенівські спектри, спектри випускання і поглинання рентгенівських променів, тобто електромагнітного випромінювання в області довжин хвиль від 10 -4 до 10 -3

Електор-маг хвиля має суцільний і лінійчастий спектри.

Закон Мозлі: , де z- порядковий номер, R- стала Рідберга, ν- визначає лінію, σ- стала екранування.

Фізична природа хімічного зв’язку. Енергетичні рівні та спектри молекул

Хімічні зв’язки - взаємодія валентних елементів зони іонні та ковалентні.

Ковалентний – узагальнений спектор 2ох атомів.

Загальна енергія молекул – елементи електрона плюс енергія ядра. В металах немає заборонених зон.

Взаємодія світла з квантовими системами

Спонтанне випромінювання(звичайне) випромынювання тобто випромінювання, яке відбувається під впливом зовнішньої електромагнітної хвилі.Спонтанне випромінювання є результатом взаємодії квантовомеханічної системи із нульовими коливаннямиелектромагнітного поля.Час, коли відбувається спонтанне випромінювання, наперед визначити неможливо.Спонтанне випромінювання визначає природну ширину спектральної лінії

Вимушене випромінювання - випромінювання фотоназбудженою квантовомеханічною системою під впливом резонансної електромагнітної хвилі.При вимушеному випромінюванні фотон не тільки не поглинається збудженою квантовомеханічною системою, наприклад, молекулою, а викликає перехід цієї системи до стану з меншою енергією, щосупроводжуєтьсяпоявоюще одного фотона, когерентногоізпершим.Вимушеневипромінювання - лежить в основіроботилазера.

Ідея 3ох рівневого лазеря:

Лазері бувають: твердотілі, рідинні, на барвниках(метали з домішками), напівпровідникових(діодів).

Барвник – різні метали, домішки.

Особливість лазерного переходу – коректність, велика енергія, монохроматичність, слабе розсіювання.