Содержание.
Введение. 2
1. Фотоэлектрический эффект и дискретная природа света. 3
2. Дифракция электронов. 11
3. Применение явления корпускулярно – волнового дуализма. 14
Выводы. 17
Список использованной литературы. 18
Введение.
Долгое время в физике главенствовала волновая теория света, а микроскопическим частицам вещества, атомам например, приписывали исключительно корпускулярные свойства. Но с этих позиций не удалось создать стройную и непротиворечивую теорию строения атома. Опыты Резерфорда показали «ажурное» строение атома, где основная масса содержится в ядре диаметром порядка , а электроны заполняют весь остальной объем. Но было доказано, что такая система не может быть устойчивой без движения электронов. Этот факт и многие другие привели к разумению того, что к микроскопическим частицам нельзя подходить с уравнениями классической механики.
Открытие явления фотоэффекта также не вписывалось в рамки классической физики. Это привело к созданию квантовой механики, в которой микрочастицам приписывают особые свойства невозможные с точки зрения классической физики.
Целью данной работы будет рассмотреть понятие корпускулярно – волнового дуализма для микрочастиц и излучения, рассмотреть основные формулы и законы, что описывают эти явления и проанализировать как дуализм свойств микрочастиц и излучения применяется в науке, технике, насколько широко распространились приборы и устройства, применяющие эти свойства вещества.
1. Фотоэлектрический эффект и дискретная природа света.
Сущность фотоэффекта состоит в испускании веществом быстрых электронов под воздействием достаточно коротковолнового излучения, падающего на это вещество. При этом оказы¬вается, и это очень существенно, что энергия испускаемых электронов совершенно не зависит от интенсивности погло¬щаемого излучения, а определяется только его частотой и свойствами самого вещества. От интенсивности излуче¬ния зависит только число испускаемых электронов.
Этим простым эмпирическим законам, оказалось, очень трудно дать удовлетворительное теоретическое объясне¬ние, о частности, большие трудности встретили на своем пути попытки объяснить элементарный механизм высво¬бождения фотоэлектрического электрона, или, как сейчас принято говорить, фотоэлектрона.
Действительно, волновая теория света, которая к 1900 году казалась совершенно безупречной и неоспоримой, приво¬дила к представлению о равномерном распределении энер¬гии излучения в световой волне. Падая на электрон, свето¬вая волна непрерывно передает ему энергию, причем коли¬чество энергии, полученной электроном в единицу времени, например в секунду, согласно волновой теории должно быть пропорционально интенсивности падающей на него волны. Поэтому объяснить законы фотоэффекта казалось очень трудно.
В 1905 году Альберт Эйнштейн высказал мысль о том, что фотоэлектрический эффект указывает на ди¬скретное строение света, связанное с существованием кван¬тов. Первоначально гипотеза Планка в ее наиболее смелой форме состояла в предположении, что вещество может , поглощать энергию излучения только конечными порция¬ми, пропорциональными частоте. Успех планковой теории черного излучения подтвердил справедливость этой гипо¬тезы. Но если эта гипотеза верна, то представляется впол¬не вероятным, что дискретная природа света, проявляющаяся в моменты поглощения и испускания, должна со¬храняться также и в остальные промежуточные моменты времени, т. е. тогда, когда излучение свободно распростра¬няется в пространстве. Эйнштейн допустил, что любое монохроматическое из¬лучение состоит из совокупности квантов, причем энергия каждого кванта пропорциональна частоте, а коэффициент пропорциональности равен, разумеется, постоянной Планка. Это позволило легко объяснить законы фото¬эффекта. В самом деле, электрон, находящийся внутри вещества, поглощая квант света, либо покинет вещество, либо останется внутри него. Все зависит от того, пре¬вышает ли энергия светового кванта работу, которую на¬до совершить электрону, чтобы покинуть вещество, т. е., как говорят, работу выхода. Следовательно, кинетическая энергия выбитого электрона будет равна энергии погло¬щенного светового кванта минус работа выхода.
Альберт Эйнштейн в 1905 году также предложил формулу которая сейчас носит название закона фотоэффекта:
(1.1).
Поскольку кинетическая энергия частицы равна: , то формулу (1) можно переписать в виде:
(1.2) где: А – работа выхода электрона с поверхности металла,
m – масса фотоэлектрона, она равна ,
V – скорость фотоэлектрона,
h – постоянная Планка, .
Таким образом, кинетическая энергия испускаемых электронов должна быть линейной функцией частоты па¬дающего излучения, а коэффициент пропорциональности численно должен быть равен постоянной Планка. Все эти выводы оказались в прекрасном соответствии с опытом. Исследования зависимости фотоэффекта от частоты пада¬ющего света показывают, что фотоэлектроны возникают лишь тогда, когда частота начинает превышать некоторое значение: порог фотоэффекта, этот порог получил название красной границы фотоэффекта:
(1.3)
(1.4)
В области частот, превышающих пороговое значение, кинетическая энергия электронов с большой точностью оказывается линейной функцией частоты падающего све¬та. Измерения тангенса угла наклона кривой, представля¬ющей зависимость энергии фотоэлектронов от частоты, показали, что он численно равен постоянной Планка. Этот метод используется для нахождения значения постоянной Планка. С точки зрения выдвинутой Эйнштейном гипотезы интенсив¬ность падающего света определяется, естественно, числом световых квантов, падающих в секунду на один квадрат¬ный сантиметр освещаемой поверхности. Следовательно, число фотоэлектронов, испускаемых единицей поверхности в единицу времени, должно быть пропорционально интен¬сивности освещения.
Таково было объяснение законов фотоэффекта, предло¬женное Эйнштейном в 1905 г. Эту теорию он назвал кван¬товой теорией света. В настоящее время кванты света на¬зываются фотонами и поэтому теория Эйнштейна полу¬чила название фотонной теории. В течение последующих тридцати лет существование фотонов было неоднократно подтверждено многими опытами. Опыты по фотоэффекту, проводившиеся со все возрастающей точностью, не только со светом, но также с рентгеновскими лучами и γ-лучами, подтвердили справедливость положений, выдвинутых Эйн¬штейном, и развитой им фотонной теории. Поскольку ча¬стоты, соответствующие рентгеновским и γ-лучам, сильно превышают частоту видимого света, то и энергия соот¬ветствующих квантов много больше энергии фотонов. Таким образом, эти лучи оказываются способными вырывать не только слабо связанные электроны, находя¬щиеся в поверхностном слое вещества, но также и внут¬ренние электроны, прочно связанные с ядрами атомов. Поскольку изучение спектров рентгеновских лучей позволяет очень точно определить работу, необходимую для вырывания какого-либо внутреннего электрона данного атома, то измерения с рентгеновскими лучами позволяют найти работу выхода с относительной точностью, гораздо большей, чем в случае опытов со светом.
Следовательно, эксперименты с рентгеновскими лучами и γ-лучами послу¬жили еще одной серьезной проверкой правильности тео¬ретических положений Эйнштейна. Их блестящее экспери¬ментальное подтверждение явилось веским доводом в поль¬зу корпускулярной теории света.
Открытие в 1923 г. еще одного явления дало новые доказательства существования фотонов. Это эффект Комптона. Известно, что при падении излучения на некоторое материальное тело часть энергии излучения рассеивается во всех направлениях в виде рассеянного излучения. Электромагнитная теория объясняла это явление сле¬дующим образом. Под действием электрического поля па¬дающей волны электроны, входящие в состав материаль¬ных тел, начинают колебаться и, излучая, оказываются, таким образом, элементарными источниками вторичных сферических волн, распространяющихся во всех направлениях и приводящих к перераспределению энергии падаю¬щей волны. Согласно этому, если первичная волна была монохроматической, то и рассеянное излучение должно быть монохроматическим и обладать частотой, в точно¬сти равной частоте первичной волны. В течение весьма длительного времени казалось, что электромагнитная теория прекрасно объясняет не только рассеяние света материальными телами, но также и рассеяние рентгенов¬ских лучей. Законы рассеяния, предсказываемые этой теорией, подтверждались с большой степенью точности.Введение2. Дифракция электронов.
Де Бройль предположил, что между корпускулярными и волновыми свойствами электрона существует такая же связь, как и между соответствующими характеристиками фотонов. Де Бройль предположил, что для электрона, как и для фотона справедливо выражение:
(2.1)
(2.2)
Впоследствии оказалось что формулы (2.1) и (2.2) справедливы для любых микрочастиц и систем, состоящих из них.
Поскольку движение частиц неразрывно связано с рас¬пространением волны, было бы очень странно, если бы ма¬териальные частицы, например электроны, не проявляли интерференционных и дифракционных свойств подобно тому, как это происходит с фотонами и изучением кото¬рых занимается физическая оптика. Чтобы выяснить, ка¬кие из этих явлений можно реально наблюдать, нужно было, прежде всего, оценить длину волн, связанных с электро¬нами. Формулы волновой механики немедленно дают ответ на этот вопрос: длина волны, связанной с электронами, при обычных условиях всегда очень мала, порядка длины волны рентгеновских лучей. Поэтому можно было надеяться на¬блюдать у электронов те явления, которые происходят с рентгеновскими лучами. Фундаментальное свойство физики рентгеновских лучей – это дифракция на кристаллах. Не¬обычайно малая длина волны рентгеновских лучей почти исключает возможность использования для наблюде¬ния их дифракции приборов, сделанных руками человека. К счастью, сама природа позаботилась о том, чтобы со¬здать годные для этих целей дифракционные решетки – кристаллы.
Действительно, в кристаллах атомы и молекулы рас¬положены в правильном порядке и образуют трехмерную решетку. Причем оказалось, что расстояние между части¬цами в кристалле как раз порядка длины волны рентге¬новских лучей. Направляя пучок рентгеновских лучей на кристалл, можно получить дифракционную картину, со¬вершенно аналогичную картине дифракции обычного света на трехмерной точечной решетке.
Взяв пучок электронов с заданной кинетиче¬ской энергией, мы должны были бы наблюдать явление дифракции, такое же, как дифракция рентгеновских лучей. Поскольку структура кристаллов, применяемых в экспери¬ментах, хорошо изучена различными методами, из полученной при дифракции электронов информации можно вычислить длину волны электрона, и, сле¬довательно, подтвердить правильность соотношения.
Дэвиссону и Джермеру – сотрудникам лаборатории «Белл-телефон» в Нью-Йорке, выпала честь открытия ди¬фракции электронов на кристаллах. Бомбардируя кристалл никеля пучком моноэнергетических электронов, они твердо установили, что электроны дифрагируют как волны, и показали, что длина этих волн в точности совпадает с той, какую дают формулы волновой механики. Так было установлено существование дифракции электронов, предпо¬ложение о котором за несколько лет до этого вызывало удивление и недоверие физиков.
Повторенное почти одновременно в Англии Дж. П. Томсоном, сыном Дж. Дж. Томсона, применившим совершенно иной метод, явление дифракции электронов вскоре стали наблюдать почти во всех странах.
Как это часто бывает, явление дифракции электронов, как вначале казалось, очень трудно наблюдаемое и требу¬ющее высокого искусства экспериментатора, теперь стало относительно простым и повседневным. Приборы для на¬блюдения явления дифракции стали настолько совершенными, что сегодня это явление можно демонстрировать сту¬дентам на лекции. Наконец, условия этих экспериментов варьировались в таких широких пределах, что справедли¬вость основной формулы, выражающей соотношение между свойствами волны и характеристиками частицы, можно счи¬тать теперь доказанной во всем интервале энергий от не¬скольких эВ до миллиона эВ. Для больших значений энергии необходимо учитывать реляти¬вистские поправки. Таким образом, косвенно подтвержда¬ются и результаты теории относительности.
Справедливость формулы для длины волны, связанной с частицей, считается сегодня настолько очевидной, что яв¬ление дифракции электронов используется уже не для подтверждения этой формулы, а для изучения структуры некоторых кристаллических или частично ориентированных сред. Эксперименты по дифракции элек¬тронов дали великолепное прямое подтверждение пред¬ставления о связи волн и частиц, которое послужило исходным пунктом для создания новой механики.
Уместно отметить, что была получена дифракция не только электронов, но и других частиц. Так же, как и электроны, явление дифракции ис¬пытывают протоны и атомы. Подобные эксперименты очень сложны и не столь многочисленны, однако установлено, что даже здесь подтверждаются формулы волновой механики. Это не должно нас удивлять. Связь между волнами и ча¬стицами – это, по-видимому, великий закон природы, при¬чем такой дуализм тесно связан с существованием и внутренней сущностью кванта действия. Нет никаких причин считать, что только электроны обладают такими свойства¬ми. Неудивительно, что мы встречаемся с дуализмом вол¬на – частица при изучении всех физических объектов.Литература1. Дущенко В. П., Кучерук И. М. Общая физика. – К.: Высшая школа, 1995. – 430 с.
2. Зисман Г. А., Тодес О. М. Курс общей физики. В 3 т. – М.: Наука, 1995. – 343 с.
3. Кухлинг Х. Справочник по физике: Пер. с нем. – М.: Мир, 1983. – 520 с.
4. Л. Де Бройль Революция в физике. Пер. с фр. – М.: Атомиздат, 1965. – 230 с.
5. Окунь Л. Б. Введение в физику элементарных частиц. Библиотечка «Квант».№45. – М.: Наука, 1990, 112 с.
6. Савельев И.В. Курс общей физики. В 3 Т., Электричество и магнетизм. – М.: Наука, 2003. - Т.3. – 387 с.
7. Филлипов Е. М. Ядра. Излучение. Вселенная. – М.: Наука. 1984, 158 с.
8. Яворский Б. М., Детлаф А. А. Справочник по физике. – М.: Наука, 1982. – 846 с.
|
|
