22 Формулы де Бройля. Опытное обоснование корпускулярно-волнового дуализма свойств вещества. Дифракция электронов.

В 1905г. Эйнштейн, развивая теорию Планка, предположил, что свет не только испускается порциями, но поглощается и распространяется порциями. Эти порции (корпускуляры) получили название – фотоны. Фотон обладает массой, энергией, импульсом. Массу фотона можно найти: . Поскольку фотон распространяется со скоростью света, то его масса покоя =0, это отличает его от других элементарных частиц. Однако на ряду со свойствами частиц, фотон обладает и волновыми свойствами: если энергия фотона велика, то появляются его корпускулярные свойства, если мала, то волновые свойства.

В 1864г. Луи де-Бройль пришел к выводу, что волновые свойства присущи не только свету, но и любой частице, обладающей массой покоя. Вспомним, что импульс фотона ,где-длина волны, которую можно определить экспериментальным методом- справедливо для любой частицы и лежит в основе современной физики.- длина волны неэлектромагнитного происхождения, аналогов в физике нет. Формула де-Бройля была экспериментально доказана на опыте. Идея опыта заключена в том, что если пучок электронов направить на монокристалл никеля, то не вдаваясь в физический процесс следует ожидать, что эти лучи будут отражаться и давать интерференционную картину.

Электроны из пушки П направляются на Ni, после рассеиванья и отражения эти электроны способны отворачиваться возле кристалла, излучение ловит гальванометр, в частности первый максимум наблюдается для угла в 50^о. Если учесть, что электрон разгоняется электрическим полем, то можно определить: ;, Можно рассчитать по формуле Вульфа-Бреда. Многочисленные эксперименты показали, что протон, нейтрон и частицы обладают волновыми свойствами, а макрочастицы не обладают такими свойствами т.к.

Дифракция электронов — процесс рассеяния электронов на совокупности частиц вещества, при котором электрон проявляет волновые свойства. Данное явление называется корпускулярно-волновым дуализмом, в том смысле, что частица вещества(в данном случае взаимодействующие электроны) может быть описана, как волна.

При выполнении некоторых условий, пропуская пучок электронов через материал можно зафиксировать дифракционную картину, соответствующую структуре материала. Поэтому процесс дифракции электронов получил широкое применение в аналитических исследованиях различных материалов.

23 Излучение Вавилова-Черенкова.

Эффект Вавилова — Черенков, возникает при движении в веществе заряженных частиц со скоростью, превышающей фазовую скорость света в этом веществе.

Обнаружено в 1934 г. П. А. Черенковым при исследовании свечения растворов солей урана под действием g-лучей радия. Оказалось, что все чистые прозрачные жидкости при пропускании через них g-лучей начинают светиться. При этом яркость свечения мало зависела от химического состава жидкостей, излучение имело поляризацию с преимущественной ориентацией электрического вектора вдоль направления первичного пучка, и, в отличие от люминесценции, не наблюдалось ни температурного, ни примесного тушения. С. И. Вавиловым, под руководством которого работал П. А.Черенков, была высказана гипотеза, что свечение связано с движением быстрых электронов, возникающих под действием g-лучей в результате Комптона эффекта, выбиваемых g-квантами радия, а не вызвано люминесценцией жидкости.

Природа излучения была объяснена в 1937 г. И. Е. Таммом и И. М. Франком. Пока заряженная частица движется со скоростью v < c/n, (с — скорость света в вакууме, а n — показатель преломления света данной среды), она может излучать электромагнитные волны лишь при ускоренном движении. Тамм и Франк показали, что при скорости движения частицы v > c/n, даже двигающейся равномерно, происходит излучение электромагнитных волн.

Условие возникновения излучения Вавилова —Черенкова и его направленность могут быть пояснены с помощью принципа Гюйгенса — Френеля. Для этого каждую точку траектории заряженной частицы считают источником волны, возникающей в момент прохождения через нее заряда. Под действием электрического поля движущегося электрона среда поляризуется. Поляризуясь и возвращаясь затем в исходное состояние, атомы среды, расположенные вдоль движения электрона, испускают электромагнитные световые волны. В оптически изотропной среде такие парциальные волны будут сферическими, так как они распространяются во все стороны с одинаковой скоростью u = с/n. Если скорость электрона v меньше скорости распространения света в среде, то электромагнитное поле обгоняет электрон, и вещество успеет поляризоваться в пространстве перед электроном. Так как поляризация среды перед электроном и за ним противоположны по направлению, излучения противоположно поляризованных атомов гасятся. Когда скорость движения электрона в прозрачной среде превышает фазовую скорость распространения света в этой среде, возникает излучение. Это излучение распространяется лишь по направлениям, составляющим острый угол с траекторией частицы, т.е. вдоль образующих конуса, ось которого совпадает с направлением скорости частицы, при этом: cosq = c/nv.

Скорость света в оптически анизотропных средах зависит от направления его распространения, поэтому парциальные волны в этом случае не являются сферами. Поэтому обыкновенному и необыкновенному лучам будут соответствовать разные конусы, и излучение будет возникать под разными углами к направлению движения частицы.

Излучение Вавилова — Черенкова возникает не только при движении электрона в среде, но и при движении любой заряженной частицы, если она движется быстрее скорости света в этой среде. Для электронов в жидкостях и твердых телах такое условие начинает выполняться уже при энергиях ~ 105 эВ (такие энергии имеют многие электроны радиоактивных процессов). Более тяжелые частицы должны обладать большей энергией, например протон, масса которого в ~2000 раз больше массы электрона, для достижения необходимой скорости должен обладать энергией ~ 108 эВ (такие протоны можно получить только в современных ускорителях).

На основе эффекта Вавилова — Черенкова разработаны экспериментальные методы исследования, которые широко применяются в ядерной физике как для регистрации частиц, так и для изучения их природы, определения их энергии, знака, заряда.