Как поступить
в Онлайн-школу и получить аттестат?

Подробно расскажем о том, как перевестись на дистанционный формат обучения, как устроены онлайн-уроки и учебный процесс, как улучшить успеваемость и повысить мотивацию!

Нажимая на кнопку, я соглашаюсь на обработку персональных данных

Конспект урока: Корпускулярно-волновой дуализм. Давление света. Гипотеза де Бройля

Квантовая физика

Корпускулярно-волновой дуализм. Давление света. Гипотеза де Бройля

План урока

  • Корпускулярно волновой дуализм. Давление света. Гипотеза де Бройля. Базовый принцип квантовой механики

Цели урока

  • Знать: понятие корпускулярно-волнового дуализма; понятие давления света; гипотезу де Бройля; понятие волновой пси-функции и соотношения неопределенности Гейзенберга
  • Уметь: объяснять явление давления света с волновой и корпускулярной точки зрения; объяснять физический смысл волновой пси-функции

Разминка

  • Может ли свет оказывать давление на вещество?
  • Какие корпускулярные и волновые свойства света вам известны?
  • Может ли электрон проявлять волновые свойства?

Корпускулярно волновой дуализм. Давление света. Гипотеза де Бройля. Базовый принцип квантовой механики

 

В известных вам явлениях дифракции и интерференции свет проявляет свойства, присущие волнам. С другой стороны, эксперименты показывают, что в таких явлениях, как тепловое излучение и фотоэффект свет ведет себя подобно частицам – корпускулам.


Таким образом, при распространении в пространстве свет проявляет волновые свойства, при взаимодействии с веществом – корпускулярные. Теория о двойственной природа света называется корпускулярно-волновым дуализмом.


Корпускулярно-волновой дуализм света – это теория, согласно которой свет одновременно обладает и свойствами непрерывных электромагнитных волн, и корпускулярными свойствами частиц.


Рассмотрим еще одно световое явление, не изученное нами ранее – давление света. Давление света можно объяснить, как с волновой, так и с корпускулярной точки зрения.

Рис. 1. Объяснение давления света с волновой точки зрения Рис. 1. Объяснение давления света с волновой точки зрения

Электроны в веществе приходят в движение под действием электрического поля волны света, в результате чего возникает электрический ток, направленный вдоль напряженности электрического поля (рис. 1). Сила Лоренца, действующая на электроны со стороны магнитного поля, направлена в сторону распространения световой волны. Суммарное действие этих сил представляет собой силу светового давления.

Рис. 2. Схема установки для измерения давления света Рис. 2. Схема установки для измерения давления света

В первый раз давление света было измерено в 1899 г. русским физиком Петром Николаевичем Лебедевым (1866-1912). На рисунке 2 показана установка, с помощью которой ученый провел эксперимент.


В стеклянном сосуде, из которого был откачан воздух, на тонкой стеклянной нити был подвешен легкий стержень. На стержне была закреплена пара легких крылышек, одно из которых имело зеркальную поверхность, а другое было затемнено. Попадая на крылышки свет отражался от одной из поверхностей и поглощался второй. Из-за давления света нить закручивалась, значение давления рассчитывалось по углу закручивания нити. Проведение точных расчетов усложнялось по двум причинам: во-первых, полностью откачать воздух из сосуда не представлялось возможным, во-вторых, на угол закручивания нити влиял разный нагрев крылышек под действием света.

Несмотря на возникшие трудности, Лебедеву удалось не только доказать существование светового давления экспериментально, но и измерить его. Полученные значения совпали с результатами, предсказанными Максвеллом. Спустя три года Лебедеву удалось измерить давление света на газы. Можно заключить, что модуль силы давления солнечного света в ясную погоду, падающего на отражающую поверхность площадью 1 м2, которая лежит на Земле, составляет примерно 10-6 Н.
 

Рассмотрим явление давления света с корпускулярной точки зрения. Согласно специальной теории относительности, импульс фотона равен:

 

p=h·νc=hλ.

 

Пусть площадь рассматриваемого участка равна S. Интенсивность света, падающего на данную площадку перпендикулярно, прямо пропорциональна энергии фотона и количеству частиц света n, попадающих на единицу поверхности в единицу времени: 

 

I=n·h·ν.
 

При условии, что весь свет поглощается поверхностью, за время t свет передаст поверхности импульс, численно равный:

 

p=n·h·ν·S·tc.

 

Давление света можно найти как отношение силы давления к площади поверхности:
 

P=FS,
 

где силу F можно найти через второй закон Ньютона в импульсной форме:
 

F=pt.
 

Объединим уравнения выше и выразим давление света:

 

P=FS=pt·S=n·h·ν·S·tc·t·S=n·h·νc.

В случае, если поверхность отражающая, то давление падающего на нее света увеличивается в два раза:

P=2n·h·νc.

 

В 1924 г. Луи де Бройль (1892-1987) предположил, что корпускулярно-волновым дуализмом обладают не только свет, но и любые частицы вещества: электроны, протоны, атомы и т.д.


Согласно де Бройлю связь между корпускулярными и волновыми характеристиками для частиц имеет тот же вид, что и для фотонов:

 

p=hλ.


Гипотеза де Бройля : любой частице вещества, как и частице света, присущи волновые свойства.


В 1927 г. сразу несколько ученых обнаружили, что электроны обладают волновыми свойствами: при прохождении данных частиц через тонкую золотую фольгу и при отражении от поверхности монокристалла наблюдалась дифракция электронов. Впоследствии было экспериментально установлено, что гипотеза де Бройля справедлива для всех видов частиц.


Корпускулярно-волновой дуализм присущ не только свету, но и любой микрочастице, то есть является общим свойством материи.


Из данного утверждения следует, что невозможно полностью описать свойства микрочастиц, используя только волновые представления или только корпускулярные.
 

После данного открытия законы классической физики больше не могли использоваться для описания состояния микрочастиц, требовалось разработать новую теорию, учитывающую корпускулярно-волновой дуализм микрочастиц.
 

В результате был создан новый раздел физики – квантовая механика.


Базовый принцип квантовой механики заключается в том, что состояние микрочастицы носит вероятностный характер.


Вероятностный характер означает, что микрочастица при одинаковых внешних условиях может находиться в различных состояниях с разной вероятностью. Состояние частицы описывается волновой функцией ψ (пси-функцией).


В 1926 г. немецкий физик М. Борн сформулировал вероятностный смысл волновой функции: квадрат модуля пси-функции определяет вероятность нахождения частицы в рассматриваемый момент времени в окрестностях рассматриваемой точки пространства. Таким образом, физический смысл имеет не сама пси-функция, а ее квадрат.

 

Волна вероятности, описываемая пси-функцией, представляет собой волну, квадрат амплитуды которой пропорционален вероятности обнаружения частицы в рассматриваемой области пространства. Движение частицы в пространстве можно представить, как распространение волны вероятности, поэтому при движении микрочастица проявляет волновые свойства. При обнаружении частицы она с некоторой вероятностью находится в определенной точке пространства, следовательно, проявляет корпускулярные свойства.

 

Согласно законам квантовой механики, невозможно с одновременно заданной точностью измерить координату частицы и проекцию ее импульса на ту же координатную ось. В 1927 г. немецкий физик Вернер Гейзенберг показал, что произведение неопределенностей координаты и импульса x и px связано с постоянной Планка следующим соотношением:

 

x·pxh.


Соотношения неопределенности Гейзенберга показывают, что невозможно установить одновременно с заданной точностью, какими будут координаты микрочастицы и проекция ее импульса на каждую из координатных осей:

 

x·pxhy·pyhz·pzh.


Иначе говоря, при определении проекции импульса с большей точностью координата будет определена с меньшей точностью.
 

Существует и другой вид соотношения неопределенностей Гейзенберга:

 

E·th.

 

Соотношение выше показывает, что невозможно установить одновременно с заданной точностью энергию частицы и время пребывания частицы в состоянии с заданной энергией.
 

Справедливость соотношений неопределенностей Гейзенберга подтверждена экспериментально и не вызывает сомнений.


Итоги

 

Корпускулярно-волновой дуализм света – это теория, согласно которой свет одновременно обладает и свойствами непрерывных электромагнитных волн, и корпускулярными свойствами частиц.
 

Корпускулярно-волновой дуализм присущ не только свету, но и любой микрочастице, то есть является общим свойством материи.
Базовый принцип квантовой механики заключается в том, что состояние микрочастицы носит вероятностный характер.
 

Микрочастица при одинаковых внешних условиях может находиться в различных состояниях с разной вероятностью. Состояние частицы описывается волновой функцией ψ (пси-функцией).


Контрольные вопросы

 

1. Что такое корпускулярно-волновой дуализм?
2. Используя рисунок 2 опишите опыт по измерению давления света.
3. В чем состояла гипотеза де Бройля?
4. Может ли протон проявлять свойства, присущие волнам?


Предыдущий урок
Фотоэффект
Квантовая физика
Следующий урок
Электромагнитные колебания. Свободные электромагнитные колебания. Процессы при гармонических колебаниях в контуре
Электромагнитные колебания и волны
  • Политическая элита и политическое лидерство

    Обществознание

  • Б.Л. Пастернак. Лирика

    Литература

  • Планетарная модель атома. Первый постулат Бора. Правило квантования орбит. Второй постулат Бора. Спектры испускания и поглощения

    Физика

Зарегистрируйся, чтобы присоединиться к обсуждению урока

Добавьте свой отзыв об уроке, войдя на платфому или зарегистрировавшись.

Отзывы об уроке:
Пока никто не оставил отзыв об этом уроке