24

Московский Государственный Технический университет им. Н.Э.Баумана

Реферат:

«Экспериментальное подтверждение волновых свойств микрочастиц»

Студентка: Рудович В.В.

Группа: ИБМ2-42

Преподаватель: Докукин М.Ю

Москва

2013Г Оглавление

1.Экспериментальное подтверждение волновых свойств микрочастиц 3

1.1.Корпускулярно-волновой дуализм света 3

2.Гипотеза де Бройля 5

2.1.Волновые свойства частиц. Корпускулярно-волновой дуализм материи. 5

1.1.Свойства волн де Бройля.  6

2.3.Расчет  для нерелятивистских и релятивистских частиц.  7

2.4.Длина волны де Бройля микро- и макрообъектов. 7

2.5.Преломление электронных волн в металле . 8

2.6.Экспериментальные подтверждения гипотезы де Бройля. 9

2.6.1.     Опыт Дэвиссона и Джермера. 11

2.6.2.Опыт Дж. П. Томсона.  12

2.7.Дифракция одиночных электронов.  14

3.Теоретическая часть 18

3.1.Проверка гипотезы де Бройля. 18

3.2 Заключение 24

3.3 Дополнительная литература 24

1. Экспериментальное подтверждение волновых свойств микрочастиц

   1. Корпускулярно-волновой дуализм света

      Понимая под светом все виды излучения - видимого, инфракрасного, ультрафиолетового, рентгеновского и др., отметим, что важность света как объекта окружающего нас мира содержится еще в древнем библейском: "Да будет свет!". Что же такое свет? Какова физическая природа света? Ответ на этот вопрос является принципиально важным как для понимания свойств окружающей природы, так и для развития физики в целом.

      В конце столетия казалось, что ответ на вопрос о природе света найден и доказан экспериментально - свет есть распространяющиеся в пространстве электромагнитные волны. Волновая теория света, исходя из такого представления о природе света, на основе общих свойств волновых процессов объяснила такие оптические явления как интерференция света, дифракция света, поляризация света и др.

      Однако, уже в начале века при исследовании взаимодействия света с веществом были обнаружены такие оптические явления как фотоэффект, эффект Комптона, фотохимические реакции и др. При объяснении этих явлений представления о том, что свет есть распространяющиеся в пространстве электромагнитные волны, оказались несостоятельными. Предсказания волновой теории света пришли в противоречие с наблюдаемыми в экспериментах закономерностями явлений квантовой оптики. Объясняя эти явления, в 1905 г. Эйнштейн выдвинул корпускулярную теорию света, которая, развивая идеи Ньютона о световых корпускулах, рассматривала свет как поток большого числа частиц, названных фотонами. Фотонная теория света легко объяснила все качественные и количественные закономерности явлений квантовой оптики.

      Итак, на первый взгляд, казалось, что теперь, объединив электромагнитные волны и фотоны в одном объекте, мы и ответим на вопрос о природе света. Свет есть волны и частицы. Однако, критическое изучение такого ответа показало несостоятельность простого механического объединения волн и частиц. Оказалось, что представления об электромагнитной волне и представления о потоке частиц исключают друг друга.

      Световая волна представляет собой нелокализованное электромагнитное поле, распределенное по пространству. Объемная плотность энергии электромагнитного поля волны, пропорциональная квадрату ее амплитуды, может изменяться на сколь угодно малую величину, то есть непрерывно.

      В отличие от волны, фотон, как световая частица, в данный момент времени локализован вблизи некоторой точки пространства и со временем перемещается в пространстве. Световая энергия в такой модели изменяется не непрерывно, а только дискретно, оставаясь всегда кратной минимальной порции (кванту) энергии, которую несет одиночный фотон.

      Как же непротиворечивым образом в одном материальном объекте объединить противоположности, казалось бы, исключающие друг друга? Ответ на этот вопрос содержался еще в работах крупнейших философов, которые пришли к выводу о том, что материальные объекты природы могут обладать внутренними противоречиями, объединяя в себе противоположные качества. Так, например, идея о единстве и борьбе противоположностей составляет основу диалектики Гегеля.

      Именно так, диалектически, современная физика отвечает на вопрос о природе света. Свет есть материальный объект, обладающий как волновыми, так и корпускулярными свойствами. В различных физических процессах эти свойства могут проявляться в различной степени. При определенных условиях, то есть в ряде оптических явлений свет проявляет свои волновые свойства. В этих случаях мы должны рассматривать свет как электромагнитные волны. В других оптических явлениях свет проявляет свои корпускулярные свойства, и тогда его следует представлять как поток фотонов. Иногда, оптический эксперимент можно организовать так, что свет будет проявлять в нем как волновые, так и корпускулярные свойства. Действительно, в опыте Комптона на первом этапе рассеяния излучения на мишени оно ведет себя как поток фотонов, но в измерительном блоке это же излучение как электромагнитная волна испытывает дифракцию на кристаллической решетке.

      Существуют оптические явления, которые могут быть объяснены качественно и количественно как волновой, так и корпускулярной теориями света. Так, например, обе эти теории приводят к одинаковым соотношениям для давления, оказываемого светом при падении его на вещество. Это объясняется тем, что любая модель, и волновая, и корпускулярная учитывает наличие у света таких материальных характеристик как энергия, масса, импульс.

      Итак, в результате углубления представлений о природе света, выяснилось, что свет обладает двойственной природой, получившей название корпускулярно-волнового дуализма света. С некоторыми объектами свет взаимодействует как волна, с другими - подобно потоку частиц. Однако, "не одна из этих картин (корпускулярная или волновая) не может сказать нам всей правды о природе света" - писал Д.Джинс. И хотя эти картины даже противоположны друг другу, одна картина дополняет другую. "Противоположности не противоречия, а дополнения" - гласит девиз Н.Бора.

      В физике свет оказался первым объектом, у которого была обнаружена двойственная, корпускулярно-волновая природа. Как мы увидим дальнейшее развитие физики значительно расширило класс таких объектов.

      Такой способ объединения корпускулярных и волновых свойств материальных объектов, когда с помощью волн мы описываем движение частиц, лежит в основе квантовой механики.

      Отметим, что корпускулярно-волновой дуализм света является далеко не тривиальным свойством этого физического объекта. При первом знакомстве с проблемой дуализма свойств света возникает естественный вопрос. Как представить себе объект, обладающий взаимоисключающими свойствами? Как такие свойства могут объединяться и дополнять друг друга?

      Посмотрим на рис. 1.1. Что мы видим на этом рисунке? Можно предсказать два различных ответа на этот вопрос. Первый ответ: "Я вижу белую фигурную вазу на темном фоне". Второй ответ: "Я вижу темные силуэты двух лиц, сближающихся в поцелуе".

Рис. 1.1.

   Значит, может один рисунок содержать два различных изображения, проявляя либо одно из них, либо другое. Так этот пример наглядно, образно демонстрирует возможность дуальных свойств у одного объекта.