Корпускулярно-волновой дуализм — справочник студента

Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Темы кодификатора ЕГЭ: гипотеза де Бройля о волновых свойствах частиц, корпускулярно-волновой дуализм, дифракция электронов

Корпускулярно-волновой дуализм (слово дуализм означает двойственность) — это физический принцип, утверждающий, что любой объект природы может вести себя и как частица, и как волна.

С первым проявлением этого принципа мы столкнулись в предыдущем листке, когда говорили о двойственной, корпускулярно-волновой природе света. В явлениях интерференции и дифракции свет демонстрирует свою волновую природу. В явлении фотоэффекта свет выступает как дискретный поток частиц — фотонов.

Является ли свет каким-то особым объектом нашего мира, таким, что подобный дуализм присущ только ему? Или, быть может, корпускулярно-волновой дуализм — это свойство вообще всех материальных объектов, просто впервые обнаружен он был для света?

Гипотеза де Бройля

Идея об универсальной двойственности корпускулярных и волновых свойств всех объектов природы была впервые высказана Луи де Бройлем (в 1924году) в качестве гипотезы о волновых свойствах частиц.

Итак, мы знаем, что свету с частотой $u$ и длиной волны соответствуют частицы — фотоны, обладающие энергией $E = h u$ и импульсом . Де Бройль, в сущности, постулировал обратное.

Гипотеза де Бройля. Движению каждой частицы соответствует распространение некоторой волны. Частота и длина этой волны определяются энергией и импульсом частицы:

$u =frac{displaystyle E}{displaystyle h vphantom{1^a}}, lambda = frac{displaystyle h}{displaystyle pvphantom{1^a}}.$ (1)
Точно так же, любой волне с частотой $u$ и длиной волны отвечают частицы с энергией $E = h u$ и импульсом .
Чтобы лучше осмыслить гипотезу де Бройля, давайте обсудим дуализм «волна–частица» на примере электромагнитного излучения.

В случае электромагнитных волн мы имеем следующую закономерность. По мере увеличения длины волны всё легче наблюдать волновые свойства излучения и всё труднее — корпускулярные.

И наоборот, чем меньше длина волны, тем ярче выражены корпускулярные свойства излучения и тем труднее наблюдать его волновые свойства.

Изменение соотношения корпускулярных и волновых свойств хорошо прослеживается при движении по известной вам шкале электромагнитных волн.

• Радиоволны.Длины волн здесь настолько велики, что корпускулярные свойства излучения практически не проявляются. Волновые свойства в этом диапазоне абсолютно доминируют.

Длины волн могут составлять несколько метров или даже километров, так что волновая природа проявляется «сама собой» — радиоволны в процессе дифракции запросто огибают дома или горы. Излучение радиоволн и их взаимодействие с материальными объектами отлично описывается в рамках классической электродинамики.

• Видимый свет и ультрафиолет. Это своего рода «переходная область»: в оптике мы можем наблюдать как волновые свойства света, так и корпускулярные.

Однако в обоих случаях надо постараться.

Так, длины волн видимого света много меньше размеров окружающих нас тел, поэтому в опытах по интерференции или дифракции света нужно создавать специальные условия (малость щелей или отверстий, удалённость экрана).

В свою очередь, термин «красная граница фотоэффекта» также подчёркивает пограничность данного диапазона: фотоэффект начинается лишь при переходе через красную границу.

• Рентгеновское и гамма-излучение. Длины волн очень малы, и наблюдать волновые свойства излучения весьма затруднительно. Так, верхняя граница длин волн рентгеновского излучения составляет нм; это лишь на два порядка превышает размер атома. Ясно, что дифракцию на «обычных» препятствиях при такой длине волны наблюдать невозможно.

Однако в рентгеновский диапазон входят длины волн порядка размера атома и межатомных расстояний в кристалле ( нм). Поэтому дифракция рентгеновских лучей наблюдается на «естественных» дифракционных решётках — кристаллических решётках твёрдых тел (эта идея была высказана немецким физиком Лауэ в 1912 году).

Энергия квантов в рентгеновском и гамма-диапазоне настолько велика, что излучение ведёт себя почти стопроцентно как поток частиц.

Рассуждая по аналогии с электромагнитными волнами, можно заключить, что и частица будет проявлять волновые свойства тем лучше, чем больше её длина волны де Бройля (в масштабах данной ситуации).

Так, мы совсем не наблюдаем волновых свойств у окружающих нас тел. (Видели вы, например, интерференцию движущихся автомобилей?) А почему? Давайте посчитаем длину дебройлевской волны объекта массой кг, движущегося со скоростью м/с:

м.

Это на порядков меньше размера атома. Воображение отказывается представить себе столь малую величину. Разумеется, никакого волнового поведения у нашего объекта при таких условиях не обнаруживается — он стопроцентно ведёт себя как «частица», то есть как материальная точка классической механики.

Дифракция электронов

Совсем другое дело — электрон. Масса электрона равна кг, и столь малое значение массы (а стало быть, и импульса в формуле ) может дать длину волны де Бройля, достаточную для экспериментального обнаружения волновых свойств.

И вот оказывается, что электроны с энергией эВ (при такой энергии становится несущественным хаотическое тепловое движение электронов, и электронный пучок можно считать когерентным) имеют дебройлевскую длину волны примерно нм — это как раз порядка размера атома и расстояний между атомами в кристаллической решётке! Опыт по наблюдению дифракции рентгеновских лучей на кристаллических структурах уже имелся, поэтому оставалось направить на кристаллическую решётку пучок электронов.

Впервые это было сделано в знаменитом эксперименте американских физиков Дэвиссона и Джермера (1927 год). Дифракция электронов на кристаллах была обнаружена! Как и ожидалось, полученная дифракционная картина имела тот же характер, что и при дифракции на кристаллической решётке рентгеновских лучей.

Впоследствии волновые свойства были обнаружены и у более крупных частиц: протонов, нейтронов, атомов и молекул. Гипотеза де Бройля, таким образом, получила надёжное опытное подтверждение.

Соотношение неопределённостей

Обнаружение корпускулярных свойств электромагнитных волн и волновых свойств частиц показало, что объекты микромира подчиняются необычным законам. Эти законы совершенно непривычны для нас, привыкших наблюдать за макроскопическими телами.

Наше сознание выработало некоторые образы частицы и волны, вполне пригодные для описания объектов классической физики. Частица — это маленький, локализованный в пространстве сгусток вещества. Волна — это распределённый (не локализованный) в пространстве колебательный процесс. Как же эти понятия могут совмещаться в одном объекте (например, в электроне)?

Вообразить такое действительно получается с трудом. Но что поделать — это факт. Природа оказывается намного богаче нашего воображения.

В своей повседневной жизни мы находимся очень далеко от микромира, и в привычном нам диапазоне макроскопических тел природа демонстрирует свои «крайние» проявления — в виде «только частиц» или «только волн». Вот почему корпускулярные и волновые свойства представляются нам несовместимыми друг с другом.

Но на самом деле это не так: в микромире оказывается, что один и тот же объект (например, электрон) легко может обладать обоими свойствами одновременно — словно человек, обладающий разными, несовместимыми на первый взгляд чертами характера.

Так, будучи частицей, электрон локализован в пространстве; но, будучи волной, локализован не в точке, а «размазан» по некоторой области. Координаты и скорость электрона не могут быть измерены одновременно сколь угодно точно. Неопределённость координаты и неопределённость соответствующей проекции импульса оказываются связанными соотношением неопределённостей Гейзенберга:

(2)

Соотношение неопределённостей (2) имеет фундаментальный характер — оно применимо к любым объектам природы.

Чем точнее мы знаем координаты объекта (то есть чем в меньшей пространственной области он локализован), тем больше получается разброс значений его импульса(то есть тем с большей скоростью объект «готов вылететь» из этой области). И наоборот, чем точнее мы знаем импульс объекта, тем меньше у нас информации о том, где этот объект находится.

Но коль скоро нет возможности одновременно точно измерить координаты и скорость, то теряет смысл понятие траектории движения объекта. Механика Ньютона перестаёт работать в микромире и уступает место квантовой механике.

Источник: https://ege-study.ru/ru/ege/materialy/fizika/korpuskulyarno-volnovoj-dualizm/

Корпускулярно-волновой дуализм – FIZI4KA

ЕГЭ 2018 по физике ›

Корпускулярно-волновой дуализм - Справочник студента

Квантовая физика — раздел физики, в котором изучаются квантово-механические и квантово-полевые системы и законы их движения.
Тепловое излучение – электромагнитное излучение, возникающее за счет внутренней энергии тела и зависящее только от температуры и оптических свойств этого тела.
В случае, если излучение находится в термодинамическом равновесии с веществом, то такое излучение называется равновесным.

Спектр такого излучения эквивалентен спектру абсолютно черного тела. Однако в общем случае тепловое излучение не находится в термодинамическом равновесии с веществом, таким образом, более горячее тело остывает, а более холодное, наоборот, нагревается.

Основные характеристики теплового излучения:

поток излучения – отношение энергии излучения ко времени, за которое это излучение произошло;

энергетическая светимость тела – отношение потока излучения, испускаемого телом, к площади поверхности излучателя;

коэффициент поглощения – величина, равная отношению потока излучения, поглощенного данным телом, к потоку излучения, падающего на это тело.

Абсолютно черное тело — это физическая абстракция (модель), под которой понимают тело, полностью поглощающее все падающее на него электромагнитное излучение произвольной длины волны ( alpha_lambda ) = 1.
Серое тело — это такое тело, коэффициент поглощения которого не зависит от частоты, а зависит только от температуры ( alpha_lambda ) < 1.
Абсолютно белое тело – тело, поглощающая способность которого равна нулю ( alpha_lambda ) = 0.
Основные законы теплового излучения
Закон Стефана–Больцмана: мощность излучения абсолютно черного тела прямо пропорциональна четвертой степени термодинамической температуры тела:

где ( sigma ) = 5,67·10-8 Вт/(м2·К4) – постоянная Стефана–Больцмана.

Закон смещения Вина: длина волны, соответствующая максимальному значению энергетической светимости абсолютно черного тела, обратно пропорциональна его термодинамической температуре:

где ( b ) = 2,9·10-3 м·К – постоянная Вина.

Закон излучения Кирхгофа: отношение излучательной способности любого тела к его поглощательной способности одинаково для всех тел при данной температуре для данной частоты и не зависит от их формы и химического состава:

Для объяснения световых явлений некоторые ученые во главе с И. Ньютоном считали, что свет – это поток частиц (корпускул). Другие ученые во главе с Гюйгенсом считали, что свет – это волна.

Луи де Бройль впервые выдвинул идею о том, что свет имеет двойственную природу.

Свет, как поток частиц (корпускул), проявляет себя при поглощении и излучении атомов, в других явлениях (интерференция, дифракция, поляризация, дисперсия) свет ведет себя как волна.

Гипотеза М. Планка о квантах

М. Планк выдвинул гипотезу о квантах: энергия испускается телом не непрерывно, а отдельными порциями – квантами, энергия которых пропорциональна частоте колебаний.

где ( h ) – постоянная Планка, ( h ) = 6,62·10-34 Дж·с.

Свет, как и любое другое электромагнитное излучение, представляет собой поток фотонов с энергией ( varepsilon ).

Фотоэффект

Фотоэффект был открыт в 1887 году Г. Герцем.

В опытах с электроискровыми вибраторами Герц установил, что заряженный проводник, освещенный ультрафиолетовыми лучами, быстро теряет свой заряд, а электрическая искра возникает в искровом промежутке при меньшей разности потенциалов.
Фотоэффект – это явление взаимодействия света с веществом, в результате которого энергия фотонов передается электронам вещества.
Различают внутренний и внешний фотоэффект.
Внутренний фотоэффект – изменение концентрации носителей заряда в веществе.
Внешний фотоэффект – явление вырывания электронов с поверхности вещества под действием падающего на него света.

Опыты А. Г. Столетова

В 1888 году А. Г. Столетов впервые систематически исследовал фотоэффект. Он выяснил, от чего зависит число вырванных светом с поверхности вещества электронов (фотоэлектронов) и чем определяется их скорость или кинетическая энергия.

Он исследовал вещества различной природы и установил, что наиболее восприимчивы к свету металлы: никель, медь, цинк, алюминий, серебро.

Для облучения электродов он использовал свет различных длин волн: красный, зеленый, синий, ультрафиолетовый.

Для исследования фотоэффекта он собрал следующую установку: в стеклянный баллон, из которого выкачан воздух, помещаются два электрода.
Внутрь баллона на один из электродов поступает свет через кварцевое «окошко», прозрачное для ультрафиолетового излучения.
На электроды подается напряжение, которое можно менять с помощью потенциометра ( R ) и измерять вольтметром ( V ).

К освещаемому электроду (катоду ( K )) присоединяют отрицательный полюс батареи. Под действием света этот электрод испускает электроны, которые при движении в электрическом поле образуют электрический ток.

Корпускулярно-волновой дуализм - Справочник студента

Облучая катод светом различных длин волн, Столетов установил закономерности (законы) фотоэффекта, не утратившие своего значения до нашего времени.

При малых напряжениях не все вырванные светом электроны достигают другого электрода (анод А). Если, не меняя интенсивности излучения, увеличивать разность потенциалов между электродами, то сила тока также увеличивается. При некотором напряжении она достигает максимального значения, после чего перестает изменяться.

Вольт-амперная характеристика (зависимость силы фототока от напряжения)

Корпускулярно-волновой дуализм - Справочник студента

Из графика видно:

1) сила фототока отлична от нуля и при отсутствии напряжения. Это означает, что часть вырванных светом электронов достигает анода и при отсутствии напряжения, т. е. фотоэлектроны при вылете обладают кинетической энергией;

2) при некотором значении напряжения ( U_{нас} ) между электродами сила фототока перестает зависеть от напряжения и не изменяется при увеличении напряжения.

Максимальное значение силы тока ( I_{нас} ) называется током насыщения. При фототоке насыщения все электроны, покинувшие за 1 с поверхность металла, за это же время попадают на анод.

Поэтому по силе фототока насыщения можно судить о числе фотоэлектронов, вылетающих с катода в единицу времени:

где ( q_{max} ) – максимальный заряд, переносимый фотоэлектронами; ( n ) – число фотоэлектронов, вылетающих с поверхности освещаемого металла; ( e ) – заряд электрона;

3) если катод соединить с положительным полюсом источника тока, а анод — с отрицательным, то в электростатическом поле между электродами фотоэлектроны будут тормозиться, а сила фототока уменьшаться при увеличении значения этого отрицательного напряжения.

При некотором значении отрицательного напряжения ( U_{зап} ) (его называют запирающим или задерживающим напряжением) фототок прекращается. Это значит, что электрическое поле тормозит вырванные электроны до полной остановки, а затем возвращает их на электрод.

Согласно теореме о кинетической энергии работа задерживающего электрического поля равна изменению кинетической энергии фотоэлектронов:
Законы внешнего фотоэффекта

Закон Столетова: количество электронов, выбиваемых светом с поверхности металла за 1 с, прямо пропорционально интенсивности света и не зависит от частоты падающего света.
Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего излучения, а определяется только его частотой.
Для каждого вещества существует «красная граница» фотоэффекта, т. е. минимальная частота света, ниже которой фотоэффект невозможен.

«Красная граница» фотоэффекта – наименьшая частота (наибольшая длина волны), при которой начинается фотоэффект:
С уменьшением частоты падающего света (увеличением длины волны) энергия падающих квантов при некоторой частоте (длине волны) может стать равной работе выхода электрона из металла.
«Красная граница» фотоэффекта зависит только от работы выхода электрона из вещества.

Фотоэффект практически безынерционен. Он наступает через 10-9 с от момента освещения катода.

Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта

Теоретическое обоснование законов фотоэффекта было дано А. Эйнштейном.

При падении на металл энергия фотона расходуется на совершение работы выхода электрона из металла и на сообщение ему кинетической энергии:
Если частота световой волны меньше «красной границы» фотоэффекта, то энергии фотона не хватит для того, чтобы вырвать электрон с поверхности металла. Фотоэффект наблюдаться не будет:
Если частота световой волны равна «красной границе» фотоэффекта, то энергии фотона хватит для того, чтобы вырвать электрон с поверхности металла, но не хватит для того, чтобы сообщить электрону кинетическую энергию. Фотоэффект наблюдаться не будет:

Если частота световой волны больше «красной границы» фотоэффекта, то энергии фотона хватит для того, чтобы вырвать электрон с поверхности металла и сообщить ему кинетическую энергию. Фотоэффект будет наблюдаться: .

Фотоны

Электромагнитное излучение имеет квантовый характер, т. е. излучается и поглощается веществом в виде отдельных частиц электромагнитного поля – фотонов.

Основные свойства фотона:

является частицей электромагнитного поля;
движется со скоростью света;
существует только в движении;
масса покоя равна нулю;
заряд равен нулю.

Равенство нулю массы фотона означает невозможность его нахождения в покоящемся состоянии. Фотон всегда движется, причем только со скоростью света.

Масса фотона:
согласно теории относительности ( E=mc^2,E=h
u, )

Энергия фотона

Энергия фотона:

Импульс фотона

Импульс фотона:
Давление света
Максвелл на основе электромагнитной теории света предсказал, что свет должен оказывать давление на препятствия.
Под действием электрического поля волны, падающей на поверхность тела, например металла, свободный электрон движется в сторону, противоположную вектору ( vec{E} ).

На движущийся электрон действует сила Лоренца, направленная в сторону распространения волны.

Суммарная сила, действующая на электроны поверхности металла, и определяет силу светового давления.

Для доказательства справедливости теории Максвелла было важно измерить давление света. Многие ученые пытались это сделать, но безуспешно, так как световое давление очень мало. В яркий солнечный день на поверхности площадью 1 м2 действует сила, равная всего лишь 4·10-6 Н.

Впервые давление света измерил русский физик Петр Николаевич Лебедев в 1900 г. Прибор Лебедева состоял из очень легкого стерженька на тонкой стеклянной нити, по краям которого были приклеены легкие крылышки. Весь прибор помещался в сосуд, откуда был выкачан воздух.

Свет падал на крылышки, расположенные по одну сторону от стерженька. О значении давления можно было судить по углу закручивания нити.

Трудность точного измерения давления света была связана с невозможностью создать вакуум (движение молекул воздуха, вызванное неодинаковым нагревом крылышек и стенок сосуда, приводит к возникновению дополнительных вращающих моментов).

На закручивание нити влияет и неодинаковый нагрев сторон крылышек (сторона, обращенная к источнику света, нагревается сильнее, чем противоположная сторона). Молекулы, отражающиеся от более нагретой стороны, передают крылышку больший импульс, чем молекулы, отражающиеся от менее нагретой стороны.

Лебедев сумел преодолеть все эти трудности, взяв очень большой сосуд и очень тонкие крылышки. Полученное значение совпало с предсказанным Максвеллом. Впоследствии после трех лет работы Лебедеву удалось осуществить еще более тонкий эксперимент: измерить давление света на газы.

Появление квантовой теории света позволило более просто объяснить причину светового давления. Фотоны, подобно частицам вещества, имеющим массу покоя, обладают импульсом. При поглощении их телом они передают ему свой импульс.

Согласно закону сохранения импульса импульс тела становится равным импульсу поглощенных фотонов. Поэтому покоящееся тело приходит в движение.

Изменение импульса тела означает, согласно второму закону Ньютона, что на тело действует сила.

Важно! Опыты Лебедева можно рассматривать как экспериментальное доказательство того, что фотоны обладают импульсом.

Хотя световое давление очень мало в обычных условиях, оно является существенным в недрах звезд. При температуре в несколько десятков миллионов Кельвинов давление электромагнитного излучения достигает громадных значений и совместно с гравитационными силами обеспечивает стабильное состояние звезд.

Давление света, согласно электродинамике Максвелла, возникает из-за действия силы Лоренца на электроны среды, колеблющиеся под действием электрического поля электромагнитной волны. С точки зрения квантовой теории давление появляется в результате передачи телу импульсов фотонов при их поглощении:
где (
ho ) – коэффициент отражения, ( N ) – количество всех фотонов, падающих на единицу поверхности в единицу времени.

Гипотеза де Бройля о волновых свойствах частиц. Корпускулярно-волновой дуализм

Корпускулярно-волновой дуализм:

корпускулярная теория Ньютона (1675);
волновая теория Гюйгенса (1678).

Согласно корпускулярной теории Ньютона светящиеся тела испускают мельчайшие частицы – корпускулы, которые летят прямолинейно по всем направлениям. Доказательством корпускулярной теории являются фотоэффект, излучение черного тела.

Согласно волновой теории Гюйгенса светящиеся тела вызывают в окружающей среде упругие колебания, которые распространяются в эфире подобно звуковым волнам в воздухе. Доказательством волновой теории Гюйгенса являются интерференция, дифракция, поляризация света.

Однако это не означает, что свет излучается как поток частиц, затем превращается в волну и распространяется волной, а при поглощении опять превращается в поток частиц – фотонов. Свет одновременно обладает и волновыми, и корпускулярными свойствами. Такое сочетание свойств обозначается термином корпускулярно-волновой дуализм.

Корпускулярными характеристиками света являются энергия и импульс, волновыми – частота или длина волны.
Уравнения, связывающие корпускулярные и волновые характеристики света:
Гипотеза де Бройля

После того как представления о двойственных свойствах света подтвердились, было высказано предположение о том, что корпускулярно-волновая двойственность свойств характерна не только для фотонов, но и для частиц вещества – электронов, протонов, нейтронов, а также атомов, молекул и атомных ядер – т. е. движение любых частиц, имеющих энергию ( varepsilon ) и импульс ( p ), можно рассматривать с помощью теории волн. При этом движущаяся частица представляется как волна с частотой:

Позже эти волны получили название волн де Бройля в честь французского ученого Луи де Бройля, высказавшего это предположение.
Корпускулярно-волновая двойственность света характерна для электромагнитного поля и имеет универсальный характер.

Дифракция электронов

Дифракция электронов является опытным доказательством гипотезы де Бройля о волновых свойствах частиц.

Опыт К. Дэвиссона и Л. Джермера (1927)

Общим условием дифракции является соизмеримость длины падающей волны с расстоянием между рассеивающими центрами: ( lambdaapprox d ).

В качестве дифракционной решетки использовалась кристаллическая решетка никеля, расстояние между атомами которого ( d ) ≈ 2·10-10 м. Пучок ускоренных электрическим полем электронов с длиной волны ( lambda ) ≈ 10-10 м направлялся под углом ( varphi ) на поверхность кристалла никеля. Полученная дифракционная картина и явилась доказательством наличия у электронов волновых свойств.

Основные формулы по теме «Корпускулярно-волновой дуализм»

Источник: https://fizi4ka.ru/egje-2018-po-fizike/korpuskuljarno-volnovoj-dualizm.html

Конец корпускулярно-волновому дуализму

Нельзя запрячь в одну телегу вола и трепетную лань… (вольный пересказ известной фразы)

Причина возникновения корпускулярно-волнового дуализма – методологическая ошибка.

Сторонники волновой природы света предпочли «не замечать» важнейшие факты, противоречащие их теории, но «не замечать» не получилось и они просто вынуждены были ввести новую сущность – «эфир», что само по себе противоречит важному методологическому принципу – «бритве Оккама» (Ockham, Occam) или принципу Ньютона: «Гипотез не измышляю!».

Исправить эту ошибку можно следующим образом. Надо, всего лишь, прислушаться к Рене Декарту (Rene Descartes): «Точно определяйте значения слов, и вы избавите мир от половины недоразумений».

Смотрим, какое определение даётся термину «волна» (или «Волны») в современной физике [1]:

В. – изменения нек-рой совокупности физ. величин (полей), способные перемещаться (распространяться), удаляясь от места их возникновения, или колебаться внутри огранич. областей пространстваВот так! Правда, авторы сразу же отказываются от своих слов следующим образом:В совр. понимании понятие В.

настолько широко и многозначно, что фактически невозможно указать ни одного признака, общего для всех видов движений или процессов, к-рые наша интуиция или традиция относит к волновым.

Вот где «собака зарыта»! Такое откровение даёт понять – почему родился этот монстр – «корпускулярно-волновой дуализм»!

Следует заметить, что этот «отказ» содержит противоречие. С одной стороны, утверждается, что

невозможно указать ни одного признака, общего для всех видов волн. С другой стороны, я специально заменил концовку цитаты на «волн», хотя, там:движений или процессов, т.е.

это и есть общий признак!

Итак, под словом «волны» надо понимать различные «виды движений или процессов». Но, разумеется, различных «движений» в Природе очень много, значит, нужен ещё признак (или признаки), выделяющий именно те виды движений, которые и есть «волны».

Думаю, будет удобным оставить термин «волны» только для механических (классических!) волн, а для других

видов движений или процессовпридумать другой термин. Предлагаю в пределах этой статьи, называть их «волноподобными движениями» (или «явлениями» или «процессами»)…

Хотя, в принципе, я знаю общий признак, по которому

наша интуиция или традиция относит к волновымте или иные виды движений… Этим признаком является необходимость «среды» для существования волн. Правда, под «средой» надо понимать не известную «сплошную среду», являющуюся математической абстракцией, а «физическую среду», имеющую структуру, т.е.

состоящую из большого количества элементов. С помощью этого общего признака можно будет объединить классические (механические) волны и явления, которые я предложил назвать «волноподобными».

Итак, определение термина «волна» в самом широком смысле может звучать следующим образом.

Определение. Волна – процесс (или «движение» в широком смысле), возможный и, при соответствующих условиях, происходящий в системе из большого количества элементов.

Введя термин «система» вместо «среда» мы охватим большее количество физических явлений, которые

наша интуиция или традиция относит к волновым. Следует также отметить, что в этом определении не налагается никаких ограничений на наличие или отсутствие разного рода связей между элементами системы или каких-либо взаимодействий между ними.

Но, самое главное, благодаря такому определению, нам не надо выдумывать монстра – корпускулярно-волновой дуализм, потому что волна – свойство большого количества корпускул (элементов) и оно не может быть свойством одной корпускулы.

Корпускула только может «участвовать в волне«, но не «иметь волновые свойства«!

Опираясь на это определение, посмотрим по-новому на, так называемые, «интерференционные» и «дифракционные картины», создаваемые световыми потоками. Разумеется, все эти известные опыты, якобы, «подтверждающие» волновую природу света (и других элементарных частиц!), сразу же, нужно отнести к «волноподобным» явлениям!

Эти картины, лишь на первый взгляд, похожи на обычные (классические) волны.

Сравним известные «кольца Ньютона» с «кругами на воде», образующимися при падении камня на спокойную водную поверхность (см. Рис.1 и 2).

На рис.1 приведены кольца Ньютона в трёх вариантах: 1 — в отражённом белом свете; 2 – в зелёном; 3 – в красном [2]. А на рис.2 приведено «распространение волн от, упавшего в воду, камня» из книги [3].

——-

Корпускулярно-волновой дуализм - Справочник студента

Рис 1. Кольца Ньютона.

——-

Рис 2. Распространение волн от упавшего в воду камня.

Сразу же бросается в глаза статичность колец Ньютона и динамичность волн на воде, которые, действительно, распространяются, движутся. Это первое отличие.

Второе отличие можно увидеть, сравнивая кольца Ньютона со стоячей волной. В стоячей волне также присутствует динамика – неподвижны только узлы, а гребни и впадины непрерывно движутся, как бы, меняются местами.

Третье отличие состоит в том, что кольца Ньютона существуют, пока есть освещение, а для «кругов на воде» камень является лишь первоначальным толчком, после которого они пускаются в «свободное плавание».

Все эти отличия наводят на мысль, что кольца Ньютона не являются результатом интерференции каких-то «волн», а лишь перераспределением светового потока из-за взаимодействия фотонов с атомами стекла.

При этом, определяющим фактором является геометрия поверхности стекла, что легко проверяется изменением радиуса кривизны линзы или другими искажениями геометрии поверхностей. Т.е.

свойства света, можно даже сказать, «второстепенны», поскольку, качественно картина колец Ньютона не зависит от цвета света или его интенсивности, а зависит от свойств среды – стекла.

С другой стороны, кольца Ньютона подпадают под наше определение, потому что здесь есть, даже не одна, а, по крайней мере, две системы: система – поток большого количества фотонов и система – большое количество атомов, составляющих стёкла. И неудивительно, что взаимодействие этих систем порождает «волноподобное» явление, которое показалось некоторым физикам одним из доказательств волновой природы света.

В книге «Понятная физика»[4] приводится такое «подтверждение» волновой природы света:

«Если свет это поток фотонов», – подумал Тейлор, – «Я смогу сделать его ничтожно редким». Он уменьшил накал лампочки до минимума и установил перед иглой несколько светофильтров. По расчетам Тейлора, в секунду на иголку попадало не больше одного фотона. Значит, ни о каком коллективном взаимодействии частиц не могло быть и речи. Он поместил установку в светонепроницаемый кожух, установил вместо экрана фотопластинку, повесил табличку «Не выключать!», взял отпуск и уехал кататься на яхте. Когда Тейлор вернулся через месяц, отдохнувший и загорелый, он проявил фотопластинку и увидел, что следы двух миллионов фотонов, поочередно попадавших в мишень в течение месяца, сложились на фотопластинке в классическую дифракционную картину. Для тех, кто успел поверить в теорию квантов, это был настоящий шок. А теперь ещё раз глянем на наше определение волн, и, сразу же, приходим к выводу, что описанный эксперимент никоим образом не доказывает волновую природу света. А, как раз, наоборот, доказывает, что, так называемая, «дифракционная картина» не рисуется ни одним фотоном, ни двумя, ни десятью, ни сотней и, даже, ни тысячей фотонов, а только «двумя миллионами» фотонов, т.е. только «большим количеством элементов, составляющих систему«!

Обратите внимание также на то, что иголку, участвующую в этом эксперименте, никак не используют при интерпретации результатов эксперимента, хотя без иголки никакой дифракционной картины не будет и в помине!

Как видим, один и тот же эксперимент можно интерпретировать по-разному, смотря на каких основополагающих утверждениях стоим…

Литература

Физическая энциклопедия / Гл. ред. А.М. Прохоров. Ред. кол. Д.М. Алексеев, А.М. Балдин, А.М. Бонч-Бруевич, А.С. Боровик-Романов и др.—М.: Сов. энциклопедия. Т. I. Ааронова – Бома эффект — Длинные линии. 1988. 704с., ил.
Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б. Физика. Учебное пособие для 10 класса.—М.: Просвещение, 1972.—368с.: ил.
Кадомцев Б.Б., Рыдник В.И. Волны вокруг нас. – М.: Знание, 1981. – 152с., ил.
И. Джавадов. Понятная физика. – Учебное пособие/Санкт-Петербург: Написано пером, 2014.—154с., ил.

Источник: https://habr.com/post/427235/

Урок 14. корпускулярно-волновой дуализм — Естествознание — 10 класс — Российская электронная школа

Естествознание, 10 класс
Урок 14. Корпускулярно-волновой дуализм
Перечень вопросов, рассматриваемых в теме:

В чем заключаются корпускулярные свойства полей;
В чем заключается гипотеза о волновых свойствах частиц;
При каких условиях проявляются волновые, а при каких — корпускулярные свойства частиц вещества и частиц поля;
Каков смысл понятия «корпускулярно-волновой дуализм».

Глоссарий по теме

Квантовая теория – совокупность представлений, согласно которым электромагнитные волны излучаются, распространяются, поглощаются отдельными порциями, которые называются «квантами». Теория послужила основой для появления квантовой механики, объясняющей движение микрообъектов. Гипотеза была предложена М. Планком, развита А. Эйнштейном.

Квант — (от лат. quantum – «сколько») – обозначает в физике неделимую порцию величины, например, энергии, поля или момента инерции. Заметим, что применимо это понятие только к микромиру: может быть квант света и квант гравитационного поля.

Интерференция – сложение двух волн, вследствие которого наблюдается устойчивая во времени картина усиления или ослабления результирующих световых колебаний в различных точках пространства. Результат зависит от угла падения света на пленку, ее толщины и длины волны. Примером может служить окрашивание поверхности мыльного пузыря.

Дифракция – огибание волнами краев препятствий – присуща любому волновому движению. Дифракция света наблюдается на препятствиях, размеры которых сравнимы с длиной волны (порядка 10-7 м).

Фотоэффект – явление вырывания электронов из вещества под действием падающего на него света. Открыто в 1886 году Г. Герцем, подробно изучено А.С. Столетовым. Квантовая теория света дала возможность объяснить это явление. А. Эйнштейн был удостоен Нобелевской премии за работы по теории фотоэффекта.

Фотон — мельчайшая частица электромагнитного излучения, имеющая энергию в один квант.

Планетарная модель атома – предложена в 1906 году Э. Резерфордом. Согласно предложенной модели ядро атома имеет положительный заряд и располагается в центре, вокруг него по своим орбитам вращаются отрицательно заряженные частицы – электроны. Оказалась несостоятельной.

Энергетические уровни – определенная энергия, которой характеризуется данный электрон в атоме, соответствующая его расстоянию от ядра. Термин предложен Н.Бором.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

Естествознание. 10 класс [Текст]: учебник для общеобразоват. организаций: базовый уровень / И.Ю. Алексашина, К.В. Галактионов, И.С. Дмитриев, А.В. Ляпцев и др. / под ред. И.Ю. Алексашиной. – 3-е изд., испр. – М.: Просвещение, 2017 : с 64-71.

Открытые электронные ресурсы по теме урока:

Кеттерле В. Когда атомы ведут себя как волны. Бозе-эйнштейновская конденсация и атомный лазер. Нобелевская лекция. 2001 г. Электронный доступ : https://ufn.ru/ru/articles/2003/12/e/

Корпускулярно-волновой дуализм https://www.youtube.com/watch?v=Qnywl9mnI_M

Как объяснить корпускулярно-волновой дуализм. д.ф-м.н., профессор, профессор ВолГУ А. Морозов / Электронный ресурс: https://www.youtube.com/watch?v=FWWlclQ0ozs

Корпускулярно-волновой дуализм — Эмиль Ахмедов Открытый образовательный ресурс: ассоциация специалистов в сфере образования, науки и просвещения «Издательский дом “ПостНаука”» адрес доступа: https://postnauka.ru/video/81299

Теоретический материал для самостоятельного изучения

В классической физике частицы и волны резко противопоставлялись как олицетворение дискретности (прерывности) и непрерывности соответственно.

В качестве существенных различий считалось, что частицы относительно строго локализованы в пространстве и движутся по определенным траекториям.

Волны же наоборот не имеют строгой локализации и обладают следующими признаками: могут огибать препятствия, могут накладываться друг на друга, существовать в одной и той же точке пространства.

При движении частиц происходит перенос вещества и энергии, а при распространении волн переноса вещества не происходит. Свойственное классической физике противопоставление вещества как дискретного образования и поля, как непрерывного, соответствует принципу «или – или». Однако исследование природы света сняла это противоречие.

Волновые свойства света

Ньютон в своем трактате «Оптика, или Трактат об отражениях, преломлениях, изгибаниях и цветах света», только выдвинул предположение, что свет обладает свойствами волны, однако не стал развивать эту идею. Ученый объяснял законы оптики с позиций корпускулярной теории. Считая свет потоком частиц

Однако, в 1801 году, Томас Юнг обнаружил явление интерференции у света, что характерно для всех волн. Суть явления заключается во взаимном усилении или ослаблении когерентных волн при наложении. Напомним, что «Когерентные» можно перевести как «синхронные», «согласованные»; у когерентных волн одинаковая частота (одинаковая длина волны).

Если амплитуды волн света совпадут при наложении, то мы будем наблюдать усиление яркости светового пятна. Если волны будут противоположны по значению максимумов и минимумов (гребней и впадин), то мы можем добиться такого состояния, когда световое пятно не будет видимо. Волновая характеристика света помогла Т.

Юнгу объяснить явление дисперсии (разложения) света призмой.

Если свет – это волна, то наряду с интерференцией должна наблюдаться и дифракция света. Ведь дифракция – огибание волнами краев препятствий – присуща волновому движению.

В результате этого в области геометрической тени могут возникать светлые зоны.

Наоборот, в области, куда в соответствии с законом прямолинейного распространения светового луча должен падать свет, может возникать темная зона.

Лишь после проведения качественных опытов, демонстрирующих интерференцию и дифракцию, волновая природа света стала признанной.

Корпускулярные свойства света

К концу 19 века волновая природа света не вызывала сомнения . Однако Макс Планк показывает, что электромагнитное поле излучается порциями – квантами.

Альберт Эйнштейн, в свою очередь, подтверждает, что и поглощение происходит квантами.

Эти идеи заложили основы квантовой теории и позволили точно описать явление фотоэффекта, суть которого заключается в том, что фотоны способны выбивать электроны из внешнего слоя вещества.

При этом количество выбитых электронов связано с частотой световых волн, но не с их интенсивностью. Другими словами, электроны будут вылетать с поверхности независимо от яркости света, но при условии, что электрон получит достаточную порцию энергии (напомним, что энергия пропорциональна частоте E=hν).

Поскольку энергия кванта может быть поглощена только полностью, то не удивительно, что если энергия кванта света мала (большая длина волны), то и электрон не сможет покинуть вещество, т.е. не совершится работа выхода (Вспомните, что понимается под «работой» в физике). Квант света Эйнштейном был назван фотоном.

Стоит отметить, что фотон это не абстрактная модель, это реально существующая частица, хотя и не имеющая массы покоя. Другими словами, фотон существует только в движении.

Корпускулярно-волновой дуализм света

Тем самым, электромагнитное поле проявляет одновременно и волновые, и квантовые (корпускулярные) свойства, как свойства непрерывности, так и свойства прерывности (дискретности). В одних явлениях (интерференция, дифракция) проявляются резче волновые свойства, в других (фотоэффект, фотохимические реакции) – квантовые свойства излучения.

Однако ряд свойств можно объяснить в согласованности, как с волновых, так и квантовых позиций.

Так, например, давление света можно объяснить в согласии с опытом как передачей фотонами (квантами света) импульса поверхности, на которую они падают, так и на основе представлений об электромагнитной волне, где электрическая составляющая возбуждает движение зарядов в проводящей поверхности, а магнитная обеспечивает действие сила Лоренца.

Такого рода двоякое объяснение одного и того же явления говорит о том, что свет одновременно проявляет и те, и другие свойства, а потому одновременно обладает ими, обнаруживая единство. Это единство проявляется в основных характеристиках фотона. Он обладает, как любая частица, энергией (hν), массой(), и импульсом (), но эти корпускулярные характеристики выражаются через сугубо волновую характеристику – частоту.

Одновременно обладая и теми и другими свойствами, свет не всегда одновременно их проявляет. В зависимости от условий резче проявляются одни или другие свойства. Такая двойственность света называется корпускулярно-волновым дуализмом.

Волновые свойства вещества

Итак, электромагнитное излучение обладает одновременно свойствами волн и свойствами частиц.

Но оказалось, что эта двойственность характерна не только для поля, что ей обладают и любые микрообъекты. Например, частица вещества – электрон.

Так, согласно современным представлениям, наряду с волнами электромагнитного поля имеются волны вещества. (Вспомним про тепловые излучения!). Эта идея, предложенная в 1924 году Луи де Бройлем, также была подтверждена опытным путем.

Суть опыта состояла в том, что поток электронов определенной энергии направлялся на тонкую пластинку и после этого попадал на фотопластинку, на которой обнаруживалась типичная дифракционная картина. Электроны дифрагировали как волны.

С этих позиций изменились и современные представления о строении атома. На смену планетарной модели Эрнста Резерфорда, согласно которой электроны как планеты вращаются по своим траекториям пришла новая модель.

Описанная по подобию движения планет Солнечной системы старая модель оказалась не состоятельной, поскольку не могла объяснить, почему электрон не падает на ядро, и почему спектры излучения и поглощения атомов линейчатые.

Сегодня при описании атома учитывается дуальная природа электрона, существование которого связано с некоторым «стационарным» состоянием, в котором он свою энергию не теряет. Энергию электрон тоже может изменить дискретно при поглощении или испускании квантов.

Таким образом существование электрона в атоме связано с энергетическими уровнями, которые, вследствие волновой природы электрона, можно представить, как области пространства вокруг ядра, где с наибольшей вероятностью мы можем его зафиксировать. Современные представления о микромире не могут быть описаны понятиями классической механики, поэтому на смену понятию орбита, приходит менее категоричное – орбиталь.

Из вероятностного характера описания следует крах концепции детерминизма (предполагает однозначность и предопределенность будущего, это вытекает из признания жесткой причинно-следственной связи между событиями и явлениями и отрицает объективность случайности).

В соответствии с квантовой теорией будущее состояние любой системы может быть предсказано лишь с некоторой вероятностью. Идея вероятностного характера процессов в микромире постепенно была распространена и на процессы в нашем макромире.

Наше будущее, таким образом, не является жестко определенным.

Единство волновых и корпускулярных свойств, дискретности и непрерывности, т.е. корпускулярно-волновой дуализм, есть общая черта материальных объектов, которой обладают и поля, и все микрочастицы. И это еще одно доказательство единства материального мира.

Выводы:
Свет (электромагнитные волны) осуществляет распространение энергии порциями – квантами, проявляя наравне с волновыми и квантовые свойства.
Электрон в определенных условиях ведет себя как волна.
Волна, соответствующая определенной частице, определяет вероятность нахождения частицы в данной точке пространства.

Всем микрочастицам присущи как корпускулярные, так и волновые свойства. В то же время любую из микрочастиц нельзя считать ни частицей, ни волной в классическом понимании. К корпускулярному и волновому описанию следует относиться как к дополняющим друг друга точкам зрения на один и тот же круг явлений.

Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля.
Задание1. Выберите один ответ
Интерференцией света объясняется физическое явление:
А: красный цвет абажура настольной лампы, светящейся белым светом
Б: красный цвет мыльной пленки, освещаемой белым светом
В: проявление цветного спектра настольной лампы, светящейся белым светом
Правильный ответ: Б
Пояснение: явления под А и В связаны с дисперсией
Задание2. Вставьте пропущенные элементы в тексте по смыслу:

«Единство ___________и корпускулярных свойств, дискретности и_____________, т.е. корпускулярно-волновой дуализм, есть ________черта материальных объектов, которой обладают и поля, и все________. И это еще одно доказательство единства материального мира»

Варианты элементов для подстановки: непрерывности; общая; тела; микрочастицы; волновых; частная

Ответ: «Единство волновых и корпускулярных свойств, дискретности и непрерывности, т.е. корпускулярно-волновой дуализм, есть общая черта материальных объектов, которой обладают и поля, и все микрочастицы. И это ещё одно доказательство единства материального мира»

Источник: https://resh.edu.ru/subject/lesson/6362/conspect/