GOS / 23 Корпускулярно волновой дуализм

23.Волновые свойства частиц. Опыты Девисона и Джермера. Опыт Томсона и Тартаковского.

В 1924 де Бройль высказал идею, которая в ту пору протеворечила общепринятым представлениям.

Идея де Бройля заключается в следующем: известно дуализм света в определенных явлениях (интер., дифр.)

проявляет волновые свойства, а при других (опыт Боте, и т.д) рассматривается как поток частиц (фотонов).

де Бройль предположил что дуализм присущь не только свету дуализм света

но и всем другим материальным объектам.

Иначе говоря поток любых частиц не только квантов но и напремер

поток электронов, протонов, нейтронов, поток атомов, молекул,

должен облодать волновыми свойствами. И облодают той же

формулой что и в случае потока световых квантов.

По деБройлю: если мы имеем поток частиц, каждая из которой обладает импульсом (к час=m час час) должен облодать волновыми свойствами, количественно выражается формулой типа (1).

Оценим величину Б для потока электронов ускоренных в электронной трубке (пушка) в результате действия на электроны эл. поля м/у катодом и анодом с напряжением U.

Пусть U1=1B =12.24 A

U2=100B =1.224 A

U3=10000B =0.1224 A

Из расчетов видно что длина волны деБройля соответствующего пучка электронов при напряжениях 100-10000 относятся к ренгеновской области спектра.

Опыт Девисона и Джермера.

Зерк отражение в опыте Двисона и Джермера должно было наблюдатся при выполнение соотношения (5а) при целочисленном значении К . Значит зеркальное отражение и соответсвующие разные увелечения токов в гальвонометре должно было иметь место при некоторых избыточных значениях ускоряющего напряжения таких при которых √Uk пропорсионален целочисленному значению К именно такая законамерность имеет место в опыте

II вариант опыта Девисона и Джермера

При перемещении угла Θ

θ=50 U=54 –max

приведенный график соответствует ускоряющему напряжению 54В и показывает как изменяется ток в гальвонометре при изменении угла θ по радиусу вектора

Из графика видно что при угле 50 образуется сильный максимум тока, это значит что под этим углом происходит полное отражение электронов т.е интерферегсионно дифраксионный максимум.

Падающии на металл электроны по деБройлю это электронная волна и ноа испытывает зеркальное отражение при угле 50

Измерение методом ренгеновской кристоллографии дали значение d=2.15 A. Опыт оказывается прекрасным совпадением с известным результатом

Другая серия связона наблюдением при вращении кристалла вокруг вертикальной оси т.е с изменением угла β

Опыты Томсона и Тартаковского

Размеры микрокристалликов значительно больше толчины фольги. Эти микрокристаллики расположены в пространстве хаотически и если какойто из ристалликов расположен под углом Вульфа-Брегге пучке электронов п происходит зеркальное отражение пучка электронов от поверхности таких кристалликов отражается коническии пучок и в в люминицирующии поверхности возникают кольца. Измеряя радиус кольса и удаление от поверхности фольги можно определить угол α и выйти на постоянную кристаллической структуры. Такой метод исследования кристаллической структуры получила название электрографии.

Дискретность состояний микрообьектов, опыты Франка и Герца, опыты Штерна и Герлаха, спин электронов. Основная идея теории Бора состоит в том, что возможные энергетические состояния атома дискретны. Атом может иметь только некоторую определенную энергию, соответствующее например первому уровню, но не может иметь какую-то промежуточную энергию. Это положение противоречило классическим представлениям физики. в теории Бора это только постулируется и очень важно было экспериментально подтвердить эту основную идею квантовой теории о дискретности энергии. В 1913 г. ученые Франк и Герц осуществили серию опытов в которых дискретность энергетич. сост-й атомов была подтверждена. В опытах Ф. и Г. Использовалась газоразрядная трубка, наполненная парами ртути (7 мм. рт. ст.). Во внутрь трубки были введены 3 электрода (катод, сетка, анод). Измерялась вольтамперная характеристика. U₁- можно было менять, U₂=0,5 В.

Изобразим вольт-амперную хар-ку.

Результаты опыта Ф. и Г.можно объяснить предположив, что столкновения электронов, ускоренных в поле сеточного напряжения с атомами ртути могут происходить в виде двух принципиально различных процессов: 1) упругий удар, при упругом ударе электрон отлетает от атома ртути в обратном направлении как от стенки практически сохраняя свою энергию, в обратном направлении, он тормозиться, тем же полем, снова набирая скорость в направлении сетки и т.о. диффузируя рано или поздно долетает до сетки, имея энергию eU. Пролетая через ячейки сетки е в состоянии преодолеть слабое задерживающее поле и уходит в цепь гальванометра создавая ток. По мере увеличения U₁ кол-во электронов прошедших ч/з сетку и создаваемый ток возрастает. При достижении, вблизи сетки энергии 4,9 эВ оказывается возможным другой процесс сталкивания – неупругий удар, при котором е полностью отдает энергию атому ртути и он оказывается не в состоянии преодолеть задерживающее напряжение. Ток резко падает. Иначе говоря при энергии электрона в 4,9 эВ при столкновении с атомом ртути, атом ртути становится восприимчивым, он в состоянии полностью поглотить энергию. По мере увеличения сеточного напряжения электрон после неупругого удара теряет энергию но на оставшемся участке снова набирает энергию и способен добраться до А и ток возрастает. Так происходит до тех пор, пока сеточное напряжение не становится =9,8 эВ. Электрон дважды неупруго соударяется с атомом ртути и полностью теряя энергии, не может преодолеть задерживающее напряжение. Ток резко падает. Процесс повторяется через 4,9 эВ. Т.к. при поглощении энергии электрона атомы ртути возбуждаются, то через время равное 10^-8с атом ртути должен эту энергию излучать в виде квантов света. Энергии 4,9 эВ соответствует свет с длиной волны (довольно далекая УФ часть спектра).Когда ускор. напр-е становится 9,8 В то должны быть 2 резких границы свечения. Т.е. наряду с провалами тока на вольтамперной хар-ке должны наблюдаться области свечения на соответствующих местах разрядной трубки. Т.о была подтверждена экспериментально основная теория идеи Бора о дискретности энергии состояния любых атомов.

В начале 20-х гг. были осуществлены очень важные опыты связанные прохождением пучков атомов, например, серебра, щелочных металлов, через сильно неоднородное м.п. эти опыты были выполнены двумя немецкими учеными Штерном и Герлахом. Рассмотрим схему опыта. Имеется электромагнит, который создает сильное эл. магн. поле. Устройство помещается в вакуум. Совершая орбитальное движение в атоме электрон и соответственно атом должны обладать моментом импульса и соответственно магнитным моментом. L-момент импульса, P_m – магнитный момент. Рассмотрим атом ; ; - модуль магнитного момента для электрона совершающего движение по круговой траектории радиуса r и скорости . При орбитальном движении электронов в атомах возникает магнитный момент соответствующий этим орбит. движениям. При пролете атомов в сильно неоднородном магн. поле как следует из электродинамики на эти магнитные моменты, т.е. на эти атомы действует смещающая сила: силу F_z можно расписать: - колинеарен вектору , т.е. В силу теплового хаоса вектор магн. момента у различных пролетающих атомов должен казалось бы быть ориентирован по разному, в различных направлениях, значит угол между векторами P_m и должны принимать всевозможные различные значения. Следовательно cos этого угла должен принимать всевозможные значения от -1 до +1. F_z

должен принимать значения от max до min. По классическим представлениям должно быть. В последствии опыты выполнялись с атомными пучками других атомов. во всех случаях наблюдалось расщепление в сильно неоднородном поле на некоторое большое число составляющих. Этот результат противоречил осн. представлениям классической теории о молекулярном хаосе. Результат опытов Штерна и Герлаха можно было однозначно интерпретировать следующим образом: кроме квантования энергии и квантования момента импульса в микромире существует пространственное квантование момента импульса и соответственно магнитного момента. Оказывается вектор магнитного момента и вектор момента импульса могут принимать только избранные направления в пространстве и таких избранных направлений существует несколько и число этих избранных направлений зависит от величины магнитного момента и момента импульса. Это явление квантовой теории через 5 лет после опытов Штерна и Герлаха было обосновано как результат решения уравнения Шредингера. Это явление получило название пространственного квантования.

Этапы развития представлений о строении везещства

Атомно-молекулярное учение

Основные этапы развития атомистики

Идея атомного (дискретного) строения вещества зародилась как

догадка в глубокой древности* и получила свое материалистическое выра-

жение в философии Левкиппа, Демокрита, Эпикура** (VI-IV в. до н.э.) и

Тита Лукреция Кара (I в. до н.э.). В средние века античная атомистика

была запрещена в Европе как идеология язычества

Физические газовые законы

В становлении химической атомистики важную роль сыграли физи-

ческие газовые законы, открывшие путь к определению молекулярных

масс. Напомним эти законы (P – давление, V – объем, T – температура).

1. Закон Бойля – Мариотта (1862; 1876):

PV = const, или P1

V1 = P2

V2 (при постоянной Т). (1.1)

2. Закон Гей-Люссака (1802):

V/Т = const, или V1/T1 = V2 /T2 (при постоянном P). (1.2)

3. Закон Шарля (1802):

P/Т = const, или P1/T1 = P2 /T2 (при постоянном V). (1.3)

4. Объединенный закон Клапейрона (1834):

PV/T = r = const (для данной массы газа m). (1.4)

Кинетическая теория газов

В физике атомно-молекулярное учение утвердилось в виде так назы-

ваемой кинетической теории материи, истоки которой берут свое начало

от работ Д. Бернулли и М.В. Ломоносова (§1.1); окончательно эта теория

сложилась во второй половине XIX в. благодаря стараниям Дж. Джоуля,

Р. Клаузиуса, Дж. Максвелла, Л. Больцмана и др.

Термодинамика и статистика

В теоретическом изучении макросистем используется два взаимно

дополняющих подхода – термодинамический и статистический.

Феноменологическая термодинамика не опирается на какие-либо модель-

ные представления о строении вещества. Она исходит из своих законов (начал),

являющихся постулатами – обобщением многовекового человеческого опыта

Атомы имолекулы

Резюмируем основные положения атомно-молекулярного учения, со-

ставляющего общетеоретический фундамент физики, химии, молекуляр-

ной биологии и др.

Все вещества состоят из мельчайших частиц – атомов и молекул,

образуя все многообразие окружающего нас мира

Экспериментальные доказательства сложной

структуры атома и первыемодели атома

В конце XIX - начале XX в. в физике были сделаны крупные откры-

тия, свидетельствующие о сложной структуре атома. К их числу относятся:

открытие рентгеновских лучей (К. Рентген, 1895); открытие естественной

радиоактивности (А. Беккерель, 1896); открытие электрона* (Дж. Дж.

Томсон, 1897) и др.

Теория Бора

Выход из создавшегося положения нашел Н. Бор (1913), который

согласовал ядерную модель Резерфорда с квантовой теорией излучения

Планка – Эйнштейна

Возникновение квантовоймеханики

Квантовая механика – это механика движения микрочастиц (электро-

нов, протонов и т.п.). Именно при движении микрочастиц проявляются их

характерные особенности, потребовавшие радикальных изменений в

представлениях классической физики

Строение ядра атома. Энергия связи

ядра. Ядерные силы

Атомные ядра, или нуклиды, состоят из нуклонов – протонов (p) и

нейтронов (n) и различаются между собой массой,

Радиоактивность

Радиоактивность – явление самопроизвольного превращения атом-

ных ядер, сопровождающееся испусканием определенного рода частиц: α-

частиц (ядер гелия), электронов, позитронов и т.д. Она может быть

естественной (проявляемой природными изотопами) и искусственной.

Подростки

Особенности учебной деятельности подростка

Учение для подростка, как и для младшего школьника, является главным видом деятельности. И от того, как учится подросток, во многом зависит его психическое развитие, становление его как гражданина.

В учебной деятельности подростка имеются свои трудности и противоречия, но есть и свои преимущества, на которые может и должен опереться педагог. Последние, как отмечает А. К. Маркова (СНОСКА: См.: Маркова А. К. Психология обучения подростка. М.; 1975, с. 4.), заключаются в избирательной готовности, в повышенной восприимчивости (сензитивности) к тем или иным сторонам обучения. Большим достоинством подростка является его готовность ко всем видам учебной деятельности, которые делают его взрослым в собственных глазах. Его привлекают самостоятельные формы организации занятий на уроке, сложный учебный материал, возможность самому строить свою познавательную деятельность за пределами школы. Беда же подростка состоит в том, что эту готовность он еще не умеет реализовать, ибо он не владеет способами выполнения новых форм учебной деятельности. Обучить этим способам, не дать угаснуть интересу к ним — важная задача педагога. В самом деле, кто не наблюдал, как эмоционально подросток реагирует на новый учебный предмет и как у некоторых эта реакция исчезает довольно быстро. Нередко у подростков снижается и общий интерес к учению, к школе, происходит «внутренний отход от школы» (А. Н. Леонтьев). Этот отход выражается в том, что школа перестает быть для ученика центром его духовной жизни.

Как показывают психологические исследования, основная причина такого «отхода от школы» заключается в несформированности у учащихся учебной деятельности, что не дает возможности удовлетворить актуальную потребность возраста — потребность в самоутверждении. Сформированной учебной деятельностью считается такая деятельность учащихся, когда они, побуждаясь прямыми мотивами самого учения, могут самостоятельно определять учебные задачи, выбирать рациональные приемы и способы их решения, контролировать и оценивать свою работу.

Одним из резервов повышения эффективности обучения подростков является целенаправленное формирование мотивов учения.

Формирование мотивов учения непосредственно связано с удовлетворением доминирующих потребностей возраста. Одна из таких потребностей подростка—познавательная потребность. При ее удовлетворении у него формируются устойчивые познавательные интересы, которые определяют его положительное отношение к учебным предметам. Подростков очень привлекает возможность расширить, обогатить свои знания, проникнуть в сущность изучаемых явлений, установить причинно - следственные связи: «Зоологией я увлекаюсь потому, что хочу знать жизнь и строение животных»; «Физика нравится мне потому, что интересно знать обо всем, что меня окружает. Мне интересно, почему, например, в одних предметах мы видим свое отражение, а в других нет».

Подростки испытывают большое эмоциональное удовлетворение от исследовательской деятельности. Им нравится мыслить, делать самостоятельные открытия. Неудовлетворение познавательной потребности и познавательных интересов вызывает у подростков не только состояние скуки, апатии, безразличия, но порой и резко отрицательное отношение к «неинтересным» предметам. При этом для подростков в равной степени имеет значение как содержание, так и процесс, способы, приемы овладения знаниями: «Интересными бывают уроки тогда, когда учитель рассказывает не только то, что есть в учебнике. А если учитель рассказывает как в учебнике, или же заставляет читать новый урок по учебнику в классе, то уроки становятся скучными и не нравятся».

В исследованиях Г. И. Щукиной (СНОСКА: См.: Щукина Г. И. Проблема познавательного интереса в педагогике. М., 1971, с. 208—210.) показано, что в познавательных интересах подростков одного и того же класса наблюдаются большие различия. У одной группы учащихся интересы носят аморфный характер, характеризуются изменчивостью и ситуативностью. У другой — интересы захватывают широкий круг учебных предметов и учебную деятельность в целом. У третьей группы подростков ярко проявляются стержневые, доминирующие интересы.

Интересы подростков различаются и по направленности их познавательной деятельности. Одни учащиеся предпочитают описательный материал, их привлекают отдельные факты, другие стремятся разобраться в сущности изучаемых явлений, объяснить их с точки зрения теории, третьи проявляют большую активность при использовании знаний в практической деятельности. Одни учащиеся склонны к репродуктивной деятельности, другие — к творческой, исследовательской деятельности.

Наряду с познавательными интересами существенное значение при положительном отношении подростков к учению имеет понимание значимости знаний. Для подростка очень важно осознать, осмыслить жизненное значение знаний и прежде всего их значение для развития личности. Это связано с усиленным ростом самосознания современного подростка. Многие учебные предметы нравятся подростку потому, что они отвечают его потребностям не только много знать, но и уметь, быть культурным, всесторонне развитым человеком. Надо поддерживать убеждение подростков в том, что только образованный человек может быть по - настоящему полезным членом общества. Убеждения и интересы, сливаясь воедино, создают у подростков повышенный эмоциональный тонус ц определяют их активное отношение к учению.

Если же подросток не видит жизненного значения знаний, то у него могут сформироваться негативные убеждения и отрицательное отношение к существующим учебным предметам. Так, некоторые учащиеся не учат правила грамматики, так как они считают, что и без знания правил пишут грамотно. Существенное значение при отрицательном отношении подростков к учению имеет осознание и переживание ими неуспеха в овладении теми или иными учебными предметами. Неуспех, как правило, вызывает у подростков бурные отрицательные эмоции и нежелание выполнять трудное учебное задание. И если неуспех повторяется, то у подростков закрепляется отрицательное отношение к предмету.

Наоборот, благоприятной ситуацией учения для подростков является ситуация успеха, которая обеспечивает им эмоциональное благополучие. Страх перед неуспехом, боязнь поражения порой приводит подростков к поиску благовидных причин, чтобы не пойти в школу или уйти с урока.

Эмоциональное благополучие подростка во многом зависит от оценки его учебной деятельности взрослыми.

Оценки для подростка имеют различный смысл. В одних случаях оценка дает возможность подростку выполнить свой долг, занять достойное место среди товарищей, в других—заслужить уважение учителей и родителей. Нередко же смысл оценки для подростка выступает в стремлении добиться успеха в учебном процессе и тем самым получить уверенность в своих умственных способностях и возможностях. Это связано с такой доминирующей потребностью возраста, как потребность осознать, оценить себя как личность, свои сильные и слабые стороны. И в этом плане существенное значение имеет не только оценка деятельности учащегося и его умственных возможностей со стороны других, но и самооценка. Как показывают исследования, именно в подростковом возрасте доминирующую роль начинает играть самооценка (Е. И. Савонько). Для эмоционального благополучия подростка очень важно, чтобы оценка и самооценка совпадали. Только при этом условии они могут выступать как мотивы, действующие в одном, направлении и усиливающие друг друга. В противном случае возникает внутренний, а иногда и внешний конфликт.

Учителю необходимо знать не только мотивы учения, но и условия их формирования. Исследования показывают, что отношение подростков к учению обусловлено прежде всего качеством работы учителя и его отношением к учащимся. Многие учащиеся при ответах на вопрос «При каких условиях учащиеся учились бы в полную меру своих способностей?» указывали на умение учителя заинтересовать своим предметом, на его уважение к учащимся. Вот типичный ответ: «Если бы учителя обращались с нами, как с хорошими друзьями, заинтересовывали нас, если бы ученики не боялись плохо ответить, то они учились бы в полную меру своих способностей». При этом подростки считают, что многое зависит и от них самих, и прежде всего от их настойчивости. Но настойчивость, по их мнению, легче проявляется тогда, «когда учитель хотя и требовательный, но добрый», когда он «справедливый и чуткий».