Реферат: Гипотеза Де Бройля

          Квантоваяприрода света. Волновые свойства света, обна­руживаемые в явлениях интерференции и дифракции, и корпуску­лярные свойства света, проявляющиеся прифотоэффекте и эф­фекте Комптона,кажутся взаимно исключающими друг друга. Однако такие противоречия существовали лишь в классиче­ской физике. Квантовая теория полностью объясняет сединых позиций все свойства света. Характерной чертой квантовой теории света является объяснение всех явлений, в том числеи тех, ко­торые ранее казались объяснимыми лишь с позиций волновой теории. Например, явления интерференции идифракции света квантовая теорияописывает как результат перераспределения фотонов в пространстве.

    Распределение фотонов в пучкахсвета при интерференции и дифракции описывается статистическими законами, дающими те же результаты, чтои волновая теория. Однако торжество современной квантовой теории в объяснениивсех световых явле­ний не означает, что никаких волн в природе нет.

     Волновые свойства электрона.Полному отказу отволновых представленийо природе света препятствуют не только сила традиции, удобство волновой теории и трудность современной квантовой теории. Есть и более серьезная причина.В 1924 г. французский физик Луи де Брой ль впервые высказал идею, согласно которой одновременное проявлениекорпускулярных и волновых свойств присуще нетолько свету, но и любому дру­гомуматериальному объекту. Эта идея была лишь теоретиче­ской гипотезой, таккак в то время наука не располагала экспери­ментальнымифактами, которые бы подтверждали существование волновых свойств уэлементарных частиц и атомов. В этом зак­лючалось существенное отличие гипотезыде Бройля о волновых свойствах частиц отгипотезы Эйнштейна о существовании фото­нов света, выдвинутой им после открытия явления фотоэффекта.

      Гипотеза де Бройля существовании волн материи была детально разработа­на, и полученные изнее следствия могли быть подвергнуты экспериментальной проверке. Основноепредположение де Бройлязаключалось в том, что любой материальный объект обладает волновыми свойствами и длина волны связана с его импульсом таким же соотношением, ка­ким связаны между собой длина свето­вой волны и импульс фотона. Найдем выражение, связывающее импульс фото­на р сдлиной волны света <img src="/cache/referats/19554/image002.gif" v:shapes="_x0000_i1025"> фотонаопределяется формулой:

P=mc(1)

<img src="/cache/referats/19554/image004.jpg" v:shapes="_x0000_i1026">

    Л. Де Бройль

<img src="/cache/referats/19554/image006.jpg" v:shapes="_x0000_i1027">   <img src="/cache/referats/19554/image008.jpg" v:shapes="_x0000_i1028">

                         рис.1                                                 рис.2

Из уравнения

Е=mс2=hv(2)

можноопределить массу фотона:

<img src="/cache/referats/19554/image010.gif" v:shapes="_x0000_i1029"> (3)

Учитываяэто, можно формулу  преобразовать так:

<img src="/cache/referats/19554/image012.gif" v:shapes="_x0000_i1030"> (4)

Отсюдаполучаем для длины световой волны формулу:

<img src="/cache/referats/19554/image014.gif" v:shapes="_x0000_i1031"> (5)

          Еслиэто выражение справедливо, как предположил де Бройль, длялюбого материального объекта, то длина волны тела мас­сойт, движущегося со скоростью v,может быть найдена так:

<img src="/cache/referats/19554/image016.gif" v:shapes="_x0000_i1032"> (6)

     Первое экспериментальноеподтверждение гипотезы де Брой-ля подучили в 1927 г. независимо друг от другаамериканские физики К. Д. Дэвиссон и Л. X. Джермер и английский физик Д.П. Томсон. Дэвиссон и Джермер изучали отражение электрон­ныхпучков от поверхности кристаллов на установке, схема кото­рой изображена нарисунке 1. Перемещая приемник электро­новпо дуге окружности, центр которой находится в месте паде­ния электронного пучка на кристалл, ониобнаружили сложную зависимость интенсивности отраженного пучка от угла рис. 2. Отражение излучения только под определеннымиуглами означа­ет, что это излучениепредставляет собой волновой процесс и егоизбирательное отражение есть результат дифракции на атомах кристаллической решетки. По известным значениямпостоянной кристаллической решетки и dугла <img src="/cache/referats/19554/image018.gif" v:shapes="_x0000_i1033"> дифракционногомаксимума можнопо уравнению Вульфа — Брэггов

2d sin<img src="/cache/referats/19554/image018.gif" v:shapes="_x0000_i1034"><img src="/cache/referats/19554/image002.gif" v:shapes="_x0000_i1035">

вычислить длину волныдифрагировавшего излучения и сопоставить ее с дебройлевскойдлиной волны электронов <img src="/cache/referats/19554/image022.gif" v:shapes="_x0000_i1036">, вы­
численной по известному ускоряющему напряжению U:

<img src="/cache/referats/19554/image024.gif" v:shapes="_x0000_i1037">

Вычисленная таким образом изопытных данных длина волны совпала по значению с дебройлевскойдлиной волны.

     Интереснырезультаты другого опыта, в котором пучок электронов направлялся намонокристалл, но расположение при­емника и кристалла не изменялось. При измененииускоряющего напряжения, т. е. скоростиэлектронов, зависимость силы тока черезгальванометр от ускоряющего напряжения имела вид, представленный на рисунке 3. Электронный пучокиспытывал наиболее эффективноеотражение при скоростях частиц, удовлет­воряющих — условию дифракционного максимума.

Последующие эксперименты полностьюподтвердили правиль­ность гипотезы де Бройля и возможностьиспользования урав­нения (6) для расчета длины волны, связаннойс любым материальным объектом. Обнаружена дифракция не только эле­ментарныхчастиц (электрон, протон, нейтрон), но и атомов.

Выполнив расчеты длины дебройлевскойволны для различных материальных объектов, можно понять, почему мыне замечаем в повседневной жизни волновых свойств окружающих нас тел. Их длиныволн оказываются столь малыми, что проявление волновых свойствневозможно обнаружить. Так, для пули массой 10 г, движущейся соскоростью 660 м/с, длина дебройлевской волны равна:

<img src="/cache/referats/19554/image026.gif" v:shapes="_x0000_i1038">

Дифракцияэлектронов на решетке кристалла никеля стано­вится заметной лишь при таких скоростяхдвижения электронов, при которых их дебройлевская длина волны становитсясравни­мойс постоянной решетки.

<img src="/cache/referats/19554/image028.jpg" v:shapes="_x0000_i1039">    <img src="/cache/referats/19554/image030.jpg" v:shapes="_x0000_i1040">

                             рис. 3                                                рис.4

При этомусловии дифракционная картина, получаемая от электронного пучка, становитсяподоб­нойкартине дифракции пучка рентгеновских лучей с такой же длиной волны. На рисунке 4 представленыфотографии дифрак­ционных картин,наблюдающихся при прохождении пучка света (а) ипучка электронов (б) у краяэкрана.

Гипотеза де Бройля и атом Бора. Гипотеза о волновойпри­родеэлектрона позволила дать принципиально новое объяснение стационарнымсостояниям в атомах. Для того чтобы понять это объяснение, выполним сначала расчет длиныдебройлевской волныэлектрона, движущегося по первой разрешенной круговой орбите в атоме водорода. Подставив в уравнение (6) выраже­ние для скорости электрона на первой круговойорбите, получим:

<img src="/cache/referats/19554/image032.gif" v:shapes="_x0000_i1041">   (7)

Это значит, что ватоме водорода, находящемся в первом стационарномсостоянии, длина дебройлевской волны электрона в точности равна длинеего круговой орбиты! Для любой другой орбитыс порядковым номером п получаем:

<img src="/cache/referats/19554/image034.gif" v:shapes="_x0000_i1042">  (8)

Этот результат позволяет выразить постулат Бора о стацио­нарных состояниях втакой форме: электрон вращается вокруг ядра неопределенно долго, не излучая энергии,если на его орби­те укладывается целое число длин волн де Бройля.

Такая формулировка постулата Бора соединяет в себе одно­временно утверждение о наличии у электронаволновых и корпус­кулярных свойств, отражаяего двойственную природу. Соедине­ниеволновых и корпускулярных свойств в этом постулате проис­ходит потому, что прирасчете длины волны электрона <img src="/cache/referats/19554/image002.gif" v:shapes="_x0000_i1043"> исполь­зуется модуль скорости <img src="/cache/referats/19554/image037.gif" v:shapes="_x0000_i1044">, полученный при расчете движения электрона как заряженнойчастицы по круговой орбите радиуса r.

         Взаимные превращения света и вещества.Глубокоеединст­во двух различных формматерии — вещества в виде различных элементарныхчастиц и электромагнитного поля в виде фотонов — обнаруживается не только в двойственной корпускулярно-волновой природевсех материальных объектов, но главным образом в том, что все известныечастицы и фотоны взаимно превращаемы.

Самый известный пример взаимных превращений частиц — это превращение пары электрон — позитрон в два или три гамма-кванта. Этот процесс наблюдается при каждойвстрече электрона с позитроном и называется аннигиляцией (т.е. исчезновением). При аннигиляциистрого выполняются законы сохранения энер­гии, импульса, момента импульса и электрического заряда (элект­рон и позитрон обладают равными зарядамипротивоположного знака), но материя вформе вещества исчезает, превращаясь в материю в форме электромагнитногоизлучения.

     Процесс, обратныйаннигиляции, наблюдается при взаимо­действии гамма-квантов с атомными ядрами.Гамма-квант, энер­гия которого превышает энергию покоя Ео=2m0c2пары элект­рон — позитрон, можетпревратиться в такую пару.

     Таким образом,материя не только многообразна в своих формах, но и едина в своей сущности.Разделение материаль­ных объектов на отдельные группы и виды условно и относи­тельно.

еще рефераты
Еще работы по физике