f3c279363c6051c6009ac4b1a3800ded

Корпускулярно-волновой дуализм
Гипотеза Луи де Бройля о волновых свойствах микрочастиц
Корпускулярно-волновой дуализм
электромагнитного излучения
Дифракция микрочастиц

Ф о т о н
Свет и любое электромагнитное излучение – поток фотонов.
Корпускулярные свойства излучения.
4. Фотон – стабильная элементарная частица, время жизни
которой определяется взаимодействием с веществом.

7. В квантовой физике отсутствует наглядный образ фотона.

Корпускулярно – волновой дуализм
электромагнитного излучения
Такие явления, как интерференция, дифракция, поляризация света, были объяснены, исходя из представлений о волновой природе света: свет – это распространяющиеся в пространстве электромагнитные волны. Световая волна не локализована в пространстве. Объемная плотность энергии электромагнитной волны пропорциональна квадрату её амплитуды и изменяется непрерывно.
Электромагнитное излучение обладает двойственной природой, получившей название «корпускулярно-волновой дуализм». Явления, в которых участвует свет, объясняются с учетом двух , дополняющих друг друга, понятий: «волна – частица»

Изображение поверхности золота
в туннельном микроскопе
Волны

Гипотеза де Бройля
В 1923 г. Французский физик Луи де Бройль выдвинул чрезвычайно смелую гипотезу: Электромагнитное излучение
и вещество, состоящее из микрочастиц, равноправны в отношении проявления корпускулярно-волновых свойств.
Микрочастицы должны проявлять волновые свойства.

Свободной частице с энергией E и импульсом p,
движущейся вдоль оси x, соответствует плоская волна де Бройля:
где - волновое число, - частота .
Волна распространяется в том же направлении, что и частица, и описывает её волновые свойства.
Плоская волна де Бройля

Групповая скорость волны де Бройля
Групповая скорость световой волны:
Групповая скорость волны де Бройля:
Дифференцируя формулу связи между энергией E и импульсом p релятивистской частицы: , получим
Учитывая, что
для групповой скорости находим
Групповая скорость волны де Бройля равна скорости движения частицы .

.
Волна де Бройля не является волной, движущейся вместе с частицей. Волна де Бройля и частица – это один и тот же объект !
Понятие длины волны де Бройля характеризует этот объект с волновой точки зрения, а понятие импульса определяет свойства объекта как частицы, и эти два понятия связаны соотношением
, где или
Для частицы с кинетической энергией и
длина волны де Бройля равна
Для релятивистской частицы:

Эксперименты по дифракции микрочастиц
Опыты К. Дэвиссона и Л. Джермера (Америка, 1927 г.)

Отражение электронов от атомных плоскостей в кристалле.
Атомная структура кристаллов была известна из опытов по дифракции рентгеновских волн. Еще в 1912 – 1913 гг. английские физики Г. Брэгг и Л. Брэгг (отец и сын) предложили вместо сложной дифракции от множества атомов рассматривать отражение волн от параллельных атомных плоскостей в кристалле и интерференцию отраженных волн.

Опыты Дж.П. Томсона (Англия, 1927 г.);
П.С. Тарковского (СССР, 1928 г.)
Кристаллические зерна в металле
Поликристалл
(Увеличено в
600 раз)

Дифракция электронов в поликристаллической фольге
В опытах использовались быстрые электроны с энергией от 17 кэВ до 57 кэВ
Отражение от разных атомных плоскостей (разные d ) при различных порядках n интерференции дает на фотопластинке систему колец.

Дифракция одиночных электронов
Дифракция одиночных электронов
Группа физиков во главе с В.А.Фабрикантом в СССР выполнила в 1949г дифракционные исследования с очень слабым электронным пучком.
В этих опытах интервал времени между двумя последовательными прохождениями электронов через поликристалл в 81 раз превышал время, затрачиваемое одним электроном на прохождение всего прибора. Таким образом, взаимодействие электронов друг с другом полностью исключалось, и электроны дифрагировали поодиночке.
Волновые свойства присущи отдельному электрону.

«Некоторые исследователи приступили к выполнению опыта за который ещё несколько лет назад их бы посадили в психиатрическую больницу для наблюдения за их душевным состоянием. Но они добились успеха !»
Объяснить результаты опытов по дифракции невозможно
без понятия вероятности и волновых свойств электрона.
При небольшом числе электронов
(при малой длительности эксперимента) следы
от попадания электронов на фотопластинке
распределены достаточно хаотично .
Можно говорить только о вероятности
попадания отдельного электрона в какое-либо
место фотопластинки.
Информацию о распределении этой
вероятности дает дифракционная
картина.
Эрвин Шредингер о первых
опытах по дифракции электронов

Эксперименты, похожие на опыты по оптической дифракции
Распределение интенсивности нейтронов в результате дифракции на краю поглощающего экрана.

О новой механике движения микрочастиц – квантовой механике
На заре квантовой механики (1920-е годы) физики пытаются найти законы, определяющие движение микрочастицы (электрона) в различных условиях, не прибегая к моделям внутренней структуры.
Так например, электрон в дифракционных экспериментах с поликристаллической фольгой с некоторой вероятностью меняет свое направление движения после фольги, но фиксируется на фотопластинке как точечная частица.
Задача: Выяснить особенности физического и
математического описания движения микрообъекта,
совмещающего в себе каким-то образом
корпускулярные и волновые свойства.

Еще до начала экспериментов по дифракции электронов
физики-теоретики Вернер Гейзенберг в Германии
и Эрвин Шредингер в Австрии начали разрабатывать новую механику, позволяющую рассчитывать волновое движение не только свободных микрочастиц, как это было у де Бройля, но и частиц , находящихся во внешнем потенциальном поле.
В 1926 г. Шредингер получил свое знаменитое уравнение для волновой пси-функции и применил его к атому водорода, в котором единственный электрон находится в электрическом поле протона .
где ,
.
Уравнение Шредингера

Принцип дополнительности Н. Бора.
Соотношения неопределенностей
1927г. Нильс Бор в Дании сформулировал
принцип дополнительности в квантовых явлениях,
а мысленные эксперименты Вернера Гейзенберга в Германии привели к соотношениям неопределенностей, которые являются математическим воплощением общей идеи дополнительности в квантовых явлениях.
Принцип дополнительности Бора: В области квантовых явлений
наиболее общие физические свойства какой-либо системы описываются
с помощью дополняющих друг друга пар независимых переменных ,
каждая из которых может быть лучше определена только за счет
уменьшения степени определенности другой.
Такими переменными являются: импульс – координата ; энергия – время; частица – волна; непрерывность – дискретность; … .
«Физическая картина явления и его математическое описание дополнительны.
Создание физической картины требует пренебрежения деталями и уводит от математической точности. И наоборот, попытка точного математического описания
явления затрудняет ясное понимание» (А. Б. Мигдал)

Соотношения неопределенностей.
Примеры мысленных экспериментов.

Соотношения неопределенностей – частный случай и конкретное выражение принципа дополнительности Н. Бора.
Соотношения неопределенностей В. Гейзенберга

Следствия из соотношений неопределенностей
Н.Бор часто вспоминал, как в 50-х годах к нему после лекции подошел студент и спросил: « Неужели действительно были такие идиоты , которые думали, что электрон в атоме вращается по орбите»

В о л н о в о е у р а в н е н и е
1

Волновое уравнение Шредингера
В 1926 г. австрийский физик-теоретик Эрвин Шредингер разработал теорию движения микрочастиц, в основу которой положил уравнение
2
Движение в трехмерном пространстве;

Вероятностный смысл

В классической физике статистические методы, использующие
понятие вероятности, рассматриваются как вспомогательные,
и применяются в тех случаях, когда недостаточно знаний
о подробностях того или иного события.
Так обстоит дело, например, в кинетической теории газов, где
предполагается, что каждая частица во всякий данный момент
времени имеет определенное значение скорости.
Но частиц много, уследить за всеми невозможно,
и единственный реальный путь заключается в том,
чтобы найти закономерности в этом хаотичном
движении многих частиц – вычислить вероятность
распределения частиц по скоростям.
Вероятность в классической физике

В квантовой физике, согласно М.Борну, ситуация совсем иная.
Электронам, протонам, фотонам и другим частицам присущи
волновые свойства.
Нет смысла, например, говорить о локализации световой волны
после дифракции на щели или траектории фотонов.
Фотон может попасть в любое место экрана наблюдения
с той или иной вероятностью. Это касается и микрочастиц, для
описания движения которой понятие определенной и
непрерывной траектории оказывается неприменимым.
При рассмотрении процессов , происходящих в микромире,
неизбежно приходится использовать понятие
волны вероятности
Вероятность в квантовой физике

Дифракция света на щели с корпускулярной точки зрения

О вероятности обнаружения электрона,
который свободно движется в направлении оси x

Уравнение Шредингера в символическом представлении
Макс Борн в том же 1926 году высказал идею , суть
которой состояла в сопоставлении классической физической
величине некоторого линейного оператора, обладающего
определенными свойствами.
1. Об идее М. Борна и операторах в математике.

2. Уравнение Шредингера
где потенциальная энергия – функция координат,
ей соответствует оператор умножения: .