§2 Свойства волн де Бройля

• Пусть частица массы m движется со скоростью v. Тогда фазовая скорость волн де Бройля

.

Т.к. c > v, то фазовая скорость волн де Бройля больше скорости света в вакууме ( v_ф может быть больше и может быть менше с, в отличие от групповой ).

Групповая скорость

• следовательно, групповая скорость волн де Бройля равна скорости движения частицы.

Для фотона

т.е. групповая скорость равная скорости света.

• Волны де Бройля испытывают дисперсию. Подставив  в  получим, что v_ф= f(λ). Из-за наличия дисперсии волны де Бройля нельзя представить в виде волнового пакета, т.к. он мгновенно “ расплывется “ (исчезнет) за время 10^-26с.

Элементарные частицы

В соответствии с достижениями квантовой физики основополагающим понятием современного атомизма является понятие элементарной частицы, но им присущи такие свойства, которые не имели ничего общего с атомизмом древних времен.

Развитие физики микромира установило неисчерпаемость свойств элементарных частиц и их взаимодействий.

Все частицы, имеющие достаточно большую энергию, способны к взаимопревращениям, но при соблюдении ряда законов сохранения. Число известных элементарных частиц постоянно растет и превышает уже 300 разновидностей, включая неустойчивые резонансные состояния. Важнейшим свойством частицы является ее масса покоя. По этому свойству частицы делятся на 4 группы:

- Легкие частицы - лептоны: электрон, позитрон.

- Частицы средней массы - мезоны: мю-мезон, пион осуществляет взаимодействие между нуклонами в ядре.

- Тяжелые частицы - барионы. К ним относятся нуклоны - составные части ядра: протоны и нейтроны. Протон - это самый легкий барион.

- Сверхтяжелые - гипероны: гравитоны -гипотетические кванты гравитационного поля; электроны; позитроны (античастицы электронов); протоны и антипротоны; нейтроны; нейтрино.

Андроны - это мезоны и барионы;

Фотон занимает особое место, не входя ни в одну из групп, т.к. не имеют массы покоя.

Фермионы- частицы с полуцелым спином.

Бозоны- частицы с целым спином

Нейтрино - это самая загадочная из всех элементарных частиц.

Оно было открыто в 1956 г., а название его было дано в 1933 г. Гипотезу о его существовании высказал в 1930 г. швейцарский физик В. Паули.

Нейтрино играет большую роль в космических процессах во всей эволюции материи во Вселенной. Время их жизни практически бесконечно. По подсчетам ученых, нейтрино уносят значительную долю излучаемой звездами энергии. Наше Солнце теряет за счет излучения нейтрино примерно 7% энергии, на каждый квадратный сантиметр Земли перпендикулярно солнечным лучам ежесекундно падает примерно 300 миллионов нейтрино. Но они не регистрируются нашими органами чувств и приборами из-за их слабого взаимодействия с веществом. Дальнейшая судьба этого излучения неизвестна, но, очевидно, нейтрино должно вновь включиться в круговорот материи в природе. Скорость распространения нейтрино равна скорости света в вакууме.

Особенностью элементарных частиц является то, что большинство из них могут возникать при столкновении с другими частицами достаточно высокой энергии: протон большой энергии превращается в нейтрон с испусканием пи-мезона. При этом элементарные частицы распадаются на другие: нейтрон - на электрон, протон и антинейтрино, а нейтральный пион - на два фотона. Пи-мезоны (пионы), таким образом, являются квантами ядерного поля, объединяющими нуклоны и ядра.

В ходе развития науки открываются все новые свойства элементарных частиц. Взаимная обусловленность свойств частиц свидетельствует о сложной их природе, наличии многогранных связей и отношений. В зависимости от специфики элементарной частицы может появиться тот или иной вид взаимодействия: сильное, электромагнитное, слабое. Сильное взаимодействие обуславливается ядерными силами, оно обеспечивает устойчивость атомных ядер. Электромагнитные взаимодействия, слабые взаимодействия возникают в процессах распада нейтронов, радиоактивных ядер и предполагают участие в этих взаимодействиях нейтрино.

Этот вид взаимодействий в настоящее время достаточно хорошо изучен.

У большинства элементарных частиц есть античастицы, отличающиеся противоположными знаками электрических зарядов и магнитных моментов: антипротоны, антинейтроны и т.д. Из античастиц могут быть образованы устойчивые атомные ядра и антивещество, подчиняющееся тем же законам движения, что и обычное вещество. Таким образом, с каждым новым открытием строение микромира уточняется и оказывается все более сложным. Чем глубже мы уходим в него, тем больше новых свойств обнаруживает наука.

Опыты Дэвисона и Джермена

В соответствии с принципом дополнительности в рамках квантовой механики принято, что частицы могут проявлять волновые свойства, а волны — корпускулярные. Электрон, например, традиционно представляли в виде отрицательно заряженного миниатюрного шарика, однако в 1924 году Луи де Бройль (см. Соотношение де Бройля) показал, что любую частицу, обладающую импульсом р можно представить в виде волны, длина которой (λ) равна:

λ = h/p,

где h — постоянная Планка.

Естественно, ученые сразу же стали проверять эту гипотезу, и самым естественным методом проверки оказались попытки обнаружить волновую дифракцию электронов. Однако успехом эти попытки увенчались только в 1927 году благодаря классическим опытам, поставленным американцами Клинтоном Дэвиссоном и Лестером Джермером и, независимо от них, англичанином Джорджем Томсоном.

Американские экспериментаторы в качестве источника свободных электронов использовали раскаленную нить, помещенную в вакуумную камеру. Полученный направленный пучок быстрых электронов они рассеивали на кристалле. В итоге им удалось обнаружить интерференционные максимумы интенсивности рассеянных электронов, первый из которых соответствовал углу рассеяния около 65°.

Фактически, они воспроизвели эксперимент по рассеянию рентгеновских лучей (обусловивший открытие их дифракции на кристаллах и вывод закона Брэгга), используя вместо рентгеновского пучка сфокусированный поток электронов. По сути, каждый атом кристалла, в соответствии с принципом Гюйгенса, является источником вторичных волн, которые взаимно усиливаются в результате интерференции между ними – при рассеянии под определенными углами, когда фазы интерферирующих вторичных волн совпадают. Дэвиссону и Джермеру удалось найти такой угол, под которым рассеивается максимальное число электронов. Воспользовавшись значениями этого угла и импульса электронов, они вычислили длину волны в соответствии с законом Брэгга. Ученые выяснили, что она в точности совпадает с длиной волны, предсказываемой на основе соотношения де Бройля. Так была доказана гипотеза о наличии волновых свойств у элементарных частиц.

Поработав на протяжении своей долгой жизни в целом ряде университетов и промышленных лабораторий, Клинтон Дэвиссон завершил свою карьеру в университете штата Вирджиния.