Корпускулярно-волновая природа микрообъектов

План

 

Введение ………………………………………………………………3

1. Корпускулярно-волновая природа микрообъектов ……………..5

2. Двойственная природа электромагнитных волн ………………...7

3. Распространение корпускулярно-волнового дуализма на 

микрообъекты ………………………………………………………..11

Заключение …………………………………………………………..14

Список литературы ………………………………………………….15

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

С момента возникновения теоретического мышления в истории человеческих представлений о природе постоянно соперничали две концепции, два общих объяснительных подхода.

Первая из них, корпускулярная («корпускула» означает «частица»), основана на представлении о том, что все на свете состоит из мельчайших частиц, атомов (в перев. с греч. атом— «неделимый»), движущихся в пустоте.

 Вторая концепция, континуальная («континуальный» означает «непрерывный, без разрывов или неоднородностей»), исходит из представления о том, что основой вещей является некая непрерывная, бесконечно делимая субстанция, не имеющая определенных границ и заполняющая Вселенную без пустот.

 Споры между атомистами и сторонниками представлений о непрерывности и бесконечной делимости материи стали одной из основных движущих сил развития картины мира. В конце концов, оказалось, что дискретность («дискретный» — прерывный, состоящий из отдельных частей) и непрерывность являются не взаимоисключающими, а взаимодополняющими атрибутами материи.

 Цель данной работы – рассмотреть концепцию корпускулярно-волнового дуализма.

 В соответствии с поставленной целью, решались следующие задачи:

- рассмотреть корпускулярно-волновую природу микрообъектов;

- охарактеризовать двойственную природу электромагнитных волн;

- описать распространение корпускулярно-волнового дуализма на микрообъекты.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Корпускулярно-волновая природа микрообъектов

Микромир образуют микрочастицы, которыми являются элементарные частицы (электроны, протоны, нейтроны, фотоны и другие простые частицы), а также сложные частицы, образованные из сравнительно небольшого числа элементарных частиц (молекулы, атомы, ядра атомов и т.п.). Термин «микрочастица» отражает только одну сторону объекта, к которому он применяется. Всякий микрообъект (молекула, атом, электрон, фотон и т. д.), представляет собой образование особого рода, сочетающее в себе свойства частицы, и волны. Микрообъект не способен воздействовать непосредственно на наши органы чувств — ни видеть, ни осязать его нельзя. Ничего подобного микрообъектам в воспринимаемом нами мире не существует. Микротела похожи ни на что из того, что нам хоть когда-нибудь приходилось видеть.

Раз поведение атомов так непохоже на наш обыденный опыт, то к нему очень трудно привыкнуть. И новичку в науке, и опытному физику — всем оно кажется своеобразным и туманным. Даже большие ученые не понимают его настолько, как им хотелось бы, и это совершенно естественно, потому что весь непосредственный опыт человека, вся его интуиция — все прилагается к крупным телам. Изучая мельчайшие частицы, приходится прибегать к различного рода абстракциям, напрягать воображение и не пытаться связывать их с нашим непосредственным опытом. В доквантовой физике «понять» означало составить себе наглядный образ объекта или процесса. Квантовую физику нельзя понять в таком смысле слова. Всякая наглядная модель неизбежно будет действовать по классическим законам, и поэтому непригодна для представления квантовых процессов. Поэтому самое правильное, что можно сделать, - это отказаться от попыток строить наглядные модели поведения квантовых объектов. Отсутствие наглядности поначалу может вызвать чувство неудовлетворенности, но со временем это чувство проходит, и все становится на свои места.

В первое время физики были поражены необычными свойствами тех мельчайших частиц материи, которые они изучали в микромире. Попытки описать, а тем более объяснить свойства микрочастиц с помощью понятий и принципов классической физики потерпели явную неудачу. Поиски новых понятий и методов объяснения, в конце концов, привели к возникновению новой квантовой механики, в окончательное построение и обоснование которой значительный вклад внесли Э.Шредингер, В. Гейзенберг, М. Борн. В самом начале эта механика была названа волновой в противоположность обычной механике, которая рассматривает свои объекты как состоящие из корпускул, или частиц. В дальнейшем для механики микрообъектов утвердилось название квантовой механики.[1]

 

 

 

 

 

2. Двойственная природа электромагнитных волн

Важной вехой в развитии представлений о природе света стали работы Ньютона, который был прекрасным оптиком. В механической картине мира все сводится к механическому перемещению тел. Соответственно Ньютон считал, что свет представляет собой поток корпускул, движущихся с огромной скоростью - отсюда прямолинейность световых лучей. Больших успехов на этом пути достигнуть не удалось, но авторитет механики велик, что корпускулярные представления о природе света преобладали вплоть до XIX в.

Постепенно накапливались экспериментальные факты, которые невозможно было уложить в рамки корпускулярной теории. Были открыты явления интерференции (при котором два световых пучка могут не только усиливать, но и гасить друг друга) и дифракции (огибание светом препятствий). В начале XIX в. французский физик О. Френель представил математическую теорию оптических явлений, основанную на представлениях современника Ньютона, Х.Гюйгенса о том, что свет представляет собой волну, т. е. распространяющиеся колебания.

Первую проверку волновая теория Френеля выдержала, когда он докладывал ее на заседании Парижской академии наук. Один из академиков, Пуассон быстро поняв суть теории, заявил, что она должна быть отвергнута, поскольку приводит к абсурдным заключениям. Он продемонстрировал выкладки, из которых следовало, что если теория верна, то в самом центре тени от круглого препятствия должно наблюдаться светлое пятно. Однако другой академик, Араго, будучи экспериментатором решил все-таки проверить этот вывод. Придя с заседания он тут же поставил несложный опыт и с изумлением обнаружил, что в центре тени действительно есть неяркое светлое пятно. По иронии судьбы оно стало известно как «пятно Пуассона», а представления о волновой природе света одержали полную победу. В 70-х гг. XIX в. Максвелл и Герц выяснили, что же именно колеблется в световой волне: электрическое и магнитное поля. Свет оказался электромагнитной волной.

Природа поведения электромагнитных волн, в частности света, имеет также двойственную природу поведения электромагнитных волн. В результате углубления представлений о природе света  выяснилось,  что  в  оптических явлениях обнаруживается своеобразный дуализм. Наряду с такими свойствами света, которые самым непосредственным образом свидетельствуют о его волновой природе (интерференция, дифракция), имеются и другие свойства, столь же непосредственно обнаруживающие его корпускулярную природу фотоффект, явление Комптона). Рассмотрим их.

Фотоэлектрическим эффектом, или фотоэффектом, называется испускание электронов веществом под действием света. В 1905 г. А. Эйнштейн показал, что все закономерности фотоэффекта легко объясняются, если предположить, что свет поглощается такими же порциями (квантами) Е=hx, какими он, по предположению Планка, испускается. По мысли Эйнштейна, энергия, полученная электроном, доставляется ему в виде кванта hv, который усваивается им целиком. Часть этой энергии, равная работе выхода, т.е. наименьшей энергии, необходимой электрону, чтобы удалиться из тела в вакуум, затрачивается на то, чтобы электрон мог покинуть тело. Остаток энергии образует кинетическую энергию Ек электрона, покинувшего вещество. В этом случае должно выполняться соотношение

hv =mv²/2 + А,

которое называется формулой Эйнштейна. Отсюда вытекает, что в случае, когда работа выхода А превышает энергию кванта hv, электроны не могут покинуть металл. Следовательно,  для возникновения фотоэффекта необходимо, чтобы энергия кванта была больше работы выхода. Частота v0, ниже которой не наблюдается фотоэффект, называется красной границей фотоэффекта. Эйнштейн выдвинул гипотезу, что свет распространяется в виде дискретных частиц, названных световыми квантами. Впоследствии эти частицы получили название фотонов. Энергия фотона определяется его частотой Е = hv, масса покоя фотона равна нулю, и фотон всегда движется со скоростью с. Сказанное означает, что фотон представляет собой частицу особого рода, отличную от таких частиц, как электрон и т. п., которые могут существовать, двигаясь со скоростями, меньшими с, и даже покоясь.

Поток фотонов, падающих перпендикулярно на поглощающую свет поверхность, оказывавает на нее давление. Если плотность фотонов равна n, то давление света равно Р = nЕ = nhv, так как каждый фотон сообщает стенке импульс

Р = Е/с = hv/с

Особенно отчетливо проявляются корпускулярные свойства в явлении, которое получило название эффекта Комптона. В 1923 г. А. Комптон, исследуя рассеяние рентгеновских лучей различными веществами, обнаружил, что в рассеянных лучах наряду с излучением первоначальной длины волны содержатся также лучи большей длины волны. Разность между этими длинами волн оказалась зависящей только от угла, образуемого направлением рассеянного излучения  с направлением первичного пучка. От первоначальной волны и от природы рассеивающего вещества разность волн не зависит. Все особенности эффекта Комптона можно объяснить, рассматривая рассеяние как процесс упругого столкновения рентгеновских фотонов с практически свободными электронами. Свободными можно считать слабее всего связанные с атомами электроны, энергия связи которых значительно меньше той энергии, которую фотон может передать электрону при соударении, такимм образом, мы рассмотрели ряд явлений, в которых дет себя как поток частиц (фотонов). Однако такие явления, как интерференция и дифракция света, могут быть объяснены только на основе волновых представлений. Таким образом, свет обнаруживает корпускулярно-волновой дуализм (двойственность): в одних явлениях проявляется его волновая природа, и он ведет себя электромагнитная волна, в других явлениях проявляется корпускулярная природа света, и он ведет себя как поток фотонов.

 

3. Распространение корпускулярно-волнового дуализма на микрообъекты

Новый радикальный шаг в развитии физики был связан с распространением корпускулярно-волнового дуализма на мельчайшие частицы вещества — электроны, протоны, нейтроны и другие микрообъекты. В классической физике вещество всегда считалось состоящим из частиц, и потому волновые свойства казались явно чуждыми ему. Тем удивительнее казалось открытие о наличии у микрочастиц волновых свойств, первую гипотезу о существовании которых высказал в 1924 г. известный французский ученый Луи де Бройль. Допуская, что частицы вещества наряду корпускулярными свойствами имеют также и волновые, де Бройль перенес на случай частиц вещества те же правила перехода от одной картины к другой, какие справедливы в случае света. По идее де Бройля, движение электрона или какой-либо другой частицы связано с волновым процессом, с частотой

v = E/h.

Гипотеза де Бройля была вскоре подтверждена экспериментально в 1927 г. американскими физиками К. Дэви и Л. Джермером, впервые обнаружившими явление дифракции электронов на кристалле никеля, т. е. типично волновую картину. Формула

ƛ = h / P

называется формулой де Бройля и является одним из соотношений, лежащих в основе современной физики. Для частицы с массой m, движущейся с малой скоростью v

ƛ = h/mv.

Сочетая в себе свойства частицы и волны, микротела не ведут себя ни как волны, ни как частицы. Отличие микрочастицы от волны заключается в том, что она всегда обнаружится как неделимое целое. Никто никогда не наблюдал, например, пол-электрона. В то же время волну можно разделить на части (например, направив световую волну на полупрозрачное зеркало) и воспринимать затем каждую часть в отдельности. Отличие микрочастицы от макрочастицы заключается в том, что она не обладает одновременно определенными значениями координаты и импульса, вследствие чего понятие траектории применительно к микрочастице утрачивает смысл.

Таким образом, электрон, протон, атомное ядро представляют собой частицы с весьма своеобразными свойствами. Обычный шарик, даже и очень малых размеров (макроскопическая частица), не может служить прообразом микрочастицы. С уменьшением размеров начинают проявляться качественно новые свойства, не обнаруживающиеся у микрочастиц. Однако, при определенных условиях понятие траектории приближенно применимым к движению микрочастиц, подобно тому, как оказывается справедливым закон прямолинейного распространения света. В формуле де Бройля нет ничего специфического для электрона как определенной частицы. Волновые свойства должны быть присущи любой частице вещества, имеющей массу m и скорость v. Убедительное доказательство справедливости формулы де Бройля и наличия волновых свойств у частиц было получено в опытах по дифракции нейтронов на кристаллах. В ряде случаев с помощью дифракции нейтронов можно успешнее исследовать строение веществ, чем с помощью рентгеновских лучей или электронов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

Таким образом, корпускулярно-волновой дуализм — это всеобщее свойство материальных объектов, заключающееся в том, что поведение одного и того же объекта в разных ситуациях или в разных отношениях может описываться как моделью волны, так и моделью частицы или совокупности частиц.

Свету присущи корпускулярные свойства. На их основании объясняется целый ряд наблюдаемых физических явлений — происхождение линейчатых спектров, фотоэффект. Но такие явления, как интерференция, дифракция, поляризация, с точки зрения квантовой теории объяснить затруднительно. Они являются подтверждением волновых свойств света.

Свет обладает двойственной корпускулярно-волновой природой. По современным воззрениям, свет обладает как волновыми, так и корпускулярными свойствами.