Лекция № 8 Корпускулярно – волновой дуализм

33. Развитие взглядов на природу света. Формула Планка

В истории науки существовали две точки зрения на природу света. Одна из них, поддерживаемая авторитетом И. Ньютона, рассматривала свет как поток упругих корпускул. Вторая точка зрения, отстаиваемая Р. Декартом, а впоследствии X. Гюйгенсом, рассматривала свет как механическую волну, распространяющуюся в упругой среде - эфире. До начала XIX в. господство удерживала первая точка зрения. Однако с 1801 г. ситуация резко изменилась в связи с установлением Т. Юнгом явления интерференции на двух щелях. Опыты Юнга были продолжены Френелем, который дал объяснение явлениям интерференции и дифракции исходя из представлений о волновой природе света. Таким образом, к середине XIX в. не было никаких сомнений по поводу того, что свет является волной. Открытие Максвеллом электромагнитной природы света только укрепило эту уверенность. Специальная теория относитель­ности не подвергала критическому пересмотру эту точку зрения. Отметим, что классическая физика исходит из коренного различия между понятиями частицы и волны. Считается, что частица об­ладает конечным числом степеней свободы, строгой траекторией движения, отсутствием интерференции и дифракции. Волна же об­ладает бесконечным числом степеней свободы, бестраекторностью, ибо каждая точка пространства, куда приходит возбуждение, сама становится источником вторичных волн. Явление интерференции и дифракции - не что иное как наложение друг на друга когерентных волн; то есть эти явления отражают волновую природу конкретных материальных объектов.

Вся классическая физика строится исходя из представления о непрерывной природе пространства, времени, движения, непре­рывного характера изменения всех физических величин. Гени­альная гипотеза, высказанная М. Планком в связи с разрешением кризисной ситуации, которая сложилась в физике в конце XIX в. при исследовании законов излучения абсолютно черного тела, по­стулирует, что вещество не может излучать или поглощать энергию иначе, как конечными порциями (квантами), пропорциональными излучаемой (или поглощаемой) частоте. Энергия одной порции (кванта)

E = hv,

где v - частота излучения, а h - универсальная константа, полу­чившая название постоянной Планка, или элементарного кванта действия.

Постоянная Планка - универсальная константа, что означает: через нее могут быть выражены любые физические характеристики, которыми обмениваются два объекта, один из которых является микрообъектом.

Открытие Планка не перечеркивало ряд эффектов, в которых свет проявляет свои волновые свойства. Но при этом были открыты явления, свидетельствующие о корпускулярной природе света. Таким образом, заговорили о корпускулярно-волновом дуализме света: в одних ситуациях свет ведет себя как волна; а в других си­туациях свет ведет себя как поток частиц (фотонов).

34. Фотон и его характеристики

Фотон обладает энергией Е = hv. Согласно теории относи­тельности, частица с энергией E обладает массой m = E/С^2. Фотон -частица, движущаяся со скоростью света С. При движении фотона его масса, как видно из приведенных формул, конечна. Однако подстановка в формулы специальной теории относительности значения скорости движущегося объекта V = С приведет к равенству нулю массы покоя фотона. То есть фотон существенно отличается от обычных известных к тому времени в физике частиц, так как не имеет массы покоя и может существовать только в движении. Из равенства вышеприведенных формул получим

hv - mС^2. Импульс фотона Р = мС и, следовательно, равен

где l - длина волны.

35. Гипотеза де Бройля. Волновые свойства вещества. Корпускулярно-волновои дуализм природы микрообъекта

Основополагающей в квантовой механике является идея о том, что корпускулярно-волновая двойственность свойств, установленная для света, имеет универсальный характер. В 1924 г. Л. де Бройль рас­пространил идею о двойственной корпускулярно-волновои природе света на все материальные объекты, введя представление о волнах, названных волнами де Бройля. Все частицы, обладающие конеч­ным импульсом Р, обладают волновыми свойствами, и их движение сопровождается некоторым волновым процессом. Де Бройль исходя из общих принципов теории относительности получил закон, уста­навливающий зависимость длины волны, связанной с движущейся частицей, от импульса частицы

где h - постоянная Планка.

Вид зависимости полностью совпал с соотношением для фотона и связанной с ним световой волной. Как отмечал сам автор идеи: «Так был осуществлен знаменитый синтез, ибо оказалось, что для частиц материи и для света установлен один и тот же вид дуализ­ма*. Однако возникает вопрос, если с какой-либо движущейся частицей, скажем, с движущимся электроном, связана волна, то должны проявляться эффекты, определяемые волновыми свойства­ми электрона, например дифракция электронов. Еще за несколько лет до опубликования статьи де Бройля К. Дж. Дэвиссон со своими коллегами по лаборатории «Белл телефон экспериментально ис­следовали явления испускания вторичных электронов и получили непонятные результаты, которые тогда они не смогли объяснить. После опубликования статьи де Бройля Дэвиссон и его сотрудник Л. Джермер возобновили опыты и установили, что электроны диф­рагируют на кристаллах как волны, и длина этих волн полностью соответствует формуле де Бройля. Впоследствии эксперименталь­ная проверка дифракции электронов была многократно повторена. Позже были проведены эксперименты, устанавливающие дифрак­цию других частиц и даже атомов.

!

Дата добавления: 2014-12-07