Двойственная природа электромагнитного излучения примеры

8.5. Корпускулярно- волновой дуализм электромагнитного излучения

Итак, изучение теплового излучения, фотоэффекта, эффекта Комптона показало, что электромагнитное излучение (в частности, свет), обладает всеми свойствами частицы (корпускулы). Однако большая группа оптических явлений – интерференция, дифракция, поляризация свидетельствует о волновых свойствах электромагнитного излучения, в частности, света.

Что же представляет собой свет – непрерывные электромагнитные волны, излучаемые источником или поток дискретных фотонов, беспорядочно испускаемых источником? Необходимость пользоваться при объяснении экспериментальных фактов различными и как будто исключающими друг друга представлениями кажется искусственной.

Одним из наиболее значительных достижений современной физики служит постепенное убеждение в ошибочности противопоставления волновых и квантовых свойств света (излучения). Свойства непрерывности, характерные для электромагнитной волны, не исключают свойств дискретности, характерных для фотонов.

Свет (электромагнитное излучение) одновременно обладает свойствами непрерывных электромагнитных волн и свойствами дискретных фотонов. В этом заключается корпускулярно-волновой дуализм (двойственность) электромагнитного излучения.

Ниже будет показано, что корпускулярно-волновыми свойствами обладают и элементарные частицы.

III. Элементы квантовой механики и атомной физики Лекции 9,10. Элементы квантовой механики

Известны 4 механики: классическая или ньютоновская механика, релятивистская механика (теория относительности), квантовая механика и релятивистская квантовая механика. Первые две механики изучались в I — ой части курса физики, а сейчас переходим к изучению квантовой механики.

Квантовая механика — это механика микромира, механика движения микрочастиц в микрополях — атомах, молекулах, кристаллах. Ее можно рассматривать как основную теорию атомных явлений.

Опытные факты, на которых она основывается, отражают физические процессы, почти полностью лежащие за пределами непосредственного человеческого восприятия. Поэтому нет ничего удивительного в том, что теория содержит физические понятия, чуждые повседневному опыту.

Начало создания последовательной теории атомных явлений можно отнести к 1924 г., когда Луи де Бройль предположил, что природа вещества также является двойственной (корпускулярной и волновой).

9.1. Гипотеза де Бройля. Опытное обоснование корпускулярно-волнового дуализма материи. Опыт Девиссона-Джермера

В 1924 г. де Бройль выдвинул гипотезу (предположение), что дуализм (двойственность) не являются особенностью одних только оптических явлений (см. лекцию 8), а имеет универсальное значение, т.е. де Бройль выдвинул гипотезу о всеобщности корпускулярно-волнового дуализма. Согласно де Бройлю каждой частице, независимо от ее природы, следует поставить в соответствии волну, длина которой  связана с импульсом частицы соотношением (формула де Бройля)

(1)

v=E/h или =2v=E/, (2)

т.е. определяется энергией Е частицы.

Найдем длину волны де Бройля, соответствующую движущемуся электрону. Кинетическая энергия, приобретенная электроном в ускоряющем поле равна

(3)

(4)

Из (1) и (4) следует (учитывая, что е=1.610 -19 Кл, m=9.110 -31 кг, напряжение U выражается в вольтах)

. (5)

В обычных электронных приборах используют напряжение 110 4 В. Соответствующие длины волн летящих электронов составляют 100.1, т.е. изменяются в диапазоне длин волн обычных рентгеновских лучей (см. параграф 2.5).

По гипотезе де Бройля не только фотоны [см.(8.4)], но и все «обыкновенные частицы» (электроны, протоны, нейтроны и др.) обладают волновыми свойствами, которые, в частности, должны проявляться в явлениях интерференции, дифракции.

Гипотеза де Бройля вскоре была подтверждена экспериментально. Девиссон и Джермер в 1927 г. наблюдали дифракцию электронов на монокристалле никеля. Узкий пучок электронов направлялся на поверхность монокристалла никеля. Отраженные электроны улавливались цилиндрическим электродом (см. рис.1), присоединенным к гальванометру. Интенсивность отраженного пучка оценивалась по силе тока, текущего через гальванометр. Ожидали получить дифракционную картину, аналогичную картине возникающей при дифракции рентгеновских лучей на том же кристалле, поскольку длина волны де Бройля для электронов изменялась в диапазоне длин волн рентгеновских лучей. Ожидание подтвердилось.

Согласно формуле Вульфа-Брегга [см. лекции 4, 5 формула (13)] условие дифракционного максимума имеет вид

2dsin=m, (6)

где d – расстояние между атомными плоскостями,  – угол скольжения, m=1, 2, 3.

Для никеля d=2.03 , опыт проводился при  =80; с учетом этого и формулы (5) из (6) следует

. (7)

Все это подтвердилось на опыте, особенно при больших значениях m (m = 6, 7, 8). При определенных дискретных напряжениях, определяемых согласно (7), гальванометр фиксировал максимальный ток (рис. 2).

Итак, опыт Девиссона-Джермера подтвердил гипотезу де Бройля – движущиеся электроны ведут себя как волны. Позднее были поставлены другие опыты, подтверждающие волновые свойства микромира.

Заметим, что волны де Бройля имеют специфическую квантовую природу, не имеющую аналогии с волнами в классической физике, т.е. они «не похожи ни на что из того, что вам когда-нибудь приходилось видеть» (Фейнман).

В классической физике «понять» означало составить себе наглядный образ объекта или процесса. Квантовую физику нельзя понять в таком смысле слова и поэтому следует отказаться от попыток строить наглядные модели поведения квантовых объектов.

Источник

34. Двойственная природа света и ее проявления. Механизм излученияэлектромагнитных волн.

Согласно соврем. представлениям, электромагнитная природа света-этолишь разновидность его проявления. Другая разн-ть характеризуется его квантовой природой. Осн. ценность волновой теории света предс-т принцип Гюйгенса-Френеля: каждая точка, до к-й дошло световое возбуждение, в свою очередь становится центром вторичных волн и передает их во все стороны сосоедним точкам.Наиболее наглядно волновые св-ва света проявл-ся в явл-х интерференции и дифракции. Интерференция света закл-ся в том, что при взаимном наложении двух волн может происходить усиление или ослабление колебаний. Необх, условием ее наблюдения явл-ся когерентность волн. Явл-е отклонения света от прямолинейного направления распространения называется дифракцией. Волновую природу света и поперечность когерентных волн доказывает и явл-е поляризации – это упорядочивания колебаний волн света, приводящее к его отклонению. Сней связан з-н Прюстера (изчезновение отраженной волны).Зависимость скорости света в среде от длины волны –дисперсия света(Ньютон).Квантовые св-ва света: фотоэффект-явление испускания электронов в-вом под действием электромагнитного излучения. Объяснение осн. законов фотоэффекта было дано в1905г. Эйнштейном на основании квантовых представлений. В 1900г. Планк высказал гипотезу, что излучение света происходит не непрерывно, а дискретно, т.е. опр-ми порциями (квантами), энергия к-х опр-ся частотой :Е=hv, где h-постоянная Планка.В 1905 Эйнш-н создал квантовую теорию света: излуч-е и распространение света происходят в виде потока световых квантов-фотонов.Свет имеет сложную природу: он прд-т собой единство корпус-х и волн-х св-в, свет –единство дискретности и непрерывности.

Электромагн-е волны-распростарняющиеся в пространстве эл-магн-е поля. Они могут распрост-ся не only в жидкости, но и в вакууме. Элект. заряды порождают элек-е поле, а переменное маг-е поле –электрич-е поле. Т.об. поля порождают друг друга и при этом распространяются в пространстве с конечной скоростью(=vсвета).

35. Концепция корпускулярно-волнового дуализма. Гипотеза де Бройля.

Француз. Ученый Лиу де Бройль, осознавая существующую в природе симметрию и развивая представления о двойственной корпускулярно-волновой природе света, выдвинул в 1923 г. гипотезу об универсальности к-в дуализма. Он утверждал, что не только фотоны, но и электроны и любые другие частицы материи наряду с корпускулярными обладают волновыми свойствами.

С каждым микрообъектом связывают: корпуск-е хар-ки-энергия Е и импульс р; волновые- частота и длина волны . Е=h , p=h/ .

По гипотезе де Бройля с любой частицейБ обладающей импульсом, сопоставляется

волновой процесс с длиной волны, опред-й формулой де Бройля: =h/p.Она справедлива для любой частицы с импульсом р. Вскоре гипотеза де Б. Была подтверждена Экспериментально девиссом и Джермером, к-е обнаружили, что пучок электронов, рассеивающийся от естественной дифракционной решетки – кристала никеля, дает отчетливую дифракционную картину.Подтвержденная экспер-но гипотеза де Б. О к-в дуализме св-в в-ва коренным образом изменила представления о св-вах микрообъектов7 Всем микрообъектам присущи и корпускулярные, и волновые св-ва: для них сущ-т потенциальные возможности проявить себя в зависимости от внешних условий либо в виде волны, либо в виде частицы.

Источник

Природа и свойства электромагнитного излучения

Спектроскопическими называются методы анализа, в которых качественно и количественно измеряется взаимодействие электромагнитного излучения с веществом.

Природа и свойства электромагнитного излучения

Электромагнитное излучение имеет двойственную природу и обладает как волновыми, так и корпускулярными (дискретными) свойствами.

Электромагнитная волна состоит из двух компонентов — электрического и магнитного, которые перпендикулярны друг другу и к направлению движения волны (рис.19.1). В отличие от других волновых процессов, например, звуковых волн для распространения электромагнитного излучения не нужна проводящая среда

Рис. 19.1. Электромагнитная волна

Электромагнитная волна, как и любая волна, обладает следующими основными параметрами.

Длина волны (l) — расстояние, которое проходит волна за один период её колебаний (расстояние между двумя последовательными максимумами).

Длина волны измеряется в метрах (м). На практике обычно используют кратные единицы — нанометр (1 нм = 1×10 -9 м) или микрометр (1 мкм = 1×10 -6 м).

Частота (n)- число колебаний в 1 секунду.

Частота измеряется в герцах (1Гц = 1 с -1 ) или в кратных ему единицах, например, 1МГц = 1×10 6 Гц. Длина волны и частота колебаний связаны между собой следующим уравнением

где с — скорость распространения волны в данной среде.

Для электромагнитной волны

где с₀ — скорость света в вакууме (2,99792×10 8 м/с), n — показатель преломления среды.

Частота является более фундаментальной характеристикой, чем длина волны. Она зависит только от свойств источника излучения и не зависит от свойств среды. Длина волны зависит от природы среды, температуры и давления.

Волновое число — число волн, приходящихся на 1 см в вакууме.

Электромагнитное излучение можно рассматривать как поток частиц энергии — фотонов. Связь между волновой и корпускулярной природой электромагнитного излучения устанавливает уравнение Планка:

где h — постоянная Планка (h = 6,6262×10 -34 Дж×с)

Единицей измерения энергии является Джоуль (Дж). В спектроскопии часто используют внесистемную единицу — электрон-вольт (1эВ = 1,6022×10 -19 Дж). Чем больше длина волны электромагнитного излучения (меньше частота колебаний), тем меньше его энергия.

Совокупность всех энергий (длин волн, частот) электромагнитного излучения называется электромагнитным спектром.

В спектроскопических методах анализа спектром (спектром поглощения, спектром испускания) называется зависимость между энергией кванта и числом квантов, обладающих данной энергией (рис 19.2).

Рис. 19.2. Спектр (поглощения, испускания) в спектроскопических методах анализа

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:

Источник