Длина волны де Бройля(см.выше)

Опыт Джозефа Томпсона по дифракции электронов

Опыты Фабриканта, Бибермана и Сушкина по дифракции одиночных электронов

Наличие волновых свойств у микрочастиц означает, что можно наблюдать их интерференцию и дифракцию.

В 1927 г. волновые свойства электронов были обнаружены английским физиком Джозефом Томсоном в опытах по дифракции электронов при их прохождении сквозь золотую фольгу.

Картина дифракции электронов оказалась сходной с известной дифракционной картиной рентгеновского излучения.

Волновые свойства частиц не являются их коллективной характеристикой, а присущи каждой частице в отдельности.

В 1949 г. российские физики В.А.Фабрикант, Л.М.Биберман, Н.Г.Сушкин выполнили опыт по дифракции электронного пучка предельно малой интенсивности.

В эксперименте электроны следовали друг за другом с интервалом на четыре порядка превышающим время, за которое электрон попадает на фотопластину. Это значит, что каждый электрон дифрагировал независимо от других, подобно дифракции отдельных фотонов.

Дифракция одиночных электронов на щели оказывается абсолютно идентичной дифракции одиночных фотонов с длиной волны λ = λБ. Так же, как и для фотона, можно говорить лишь о вероятности попадания электрона в окрестности определенной точки. Дифракционная картина возникает потому, что вероятность попадания электрона в разные точки экрана не одинакова.

КОРПУСКУЛЯРНО-ВОЛНОВОЙ ДУАЛИЗМ(уч.11кл.стр.318-321,323-325)

Корпускулярные и волновые свойства фотонов

Определение корпускулярно-волнового дуализма

Дифракция фотонов.

Опыт Джофри Тейлора по дифракции отдельных фотонов

Соотношение неопределенности Гейзенберга (уч.11кл.стр.323-325)

Распространение света в виде потока фотонов и квантовый характер взаимодействия света с веществом подтверждены многими экспериментами, доказывающими квантовые свойства света.

Однако оптические явления (поляризация, интерференция, дифракция) свидетельствуют о волновых свойствах света.

Для объединения волновой и корпускулярной теорий в физике возникло представление о корпускулярно-волновом дуализме, лежащее в основе всей современной физики.

Корпускулярно-волновой дуализм – проявление в поведении одного и того же объекта как корпускулярных, так и волновых свойств.

Квант света – не волна, но и не корпускула. Фотоны – особые микрочастицы, энергия и импульс которых (в отличие от обычных материальных точек) выражаются через волновые характеристики – частоту и длину волны: E = hυ, p = h/λ

Дифракция отдельных фотонов

Дифракция и интерференция света объясняются наличием волновых свойств у каждого отдельного фотона. Это подтвердил опыт 1909 г. Джофри Тейлора по наблюдению дифракции поочередно летящих мимо иглы одиночных фотонов.

Интенсивность света в опыте была сильно понижена с помощью светофильтров. Ослабление интенсивности означает уменьшение числа падающих на щель фотонов.

В результате можно настолько уменьшить их число, что фотоны будут следовать друг за другом с интервалом времени, на несколько порядков превышающим время, за которое фотон попадает на фотопластину, помещенную за щелью на расстоянии L.

Благодаря этому фотоны не могут взаимодействовать (интерферировать) друг с другом, и налетают на щель поодиночке, попадая в ту или иную точку фотопластины.

Чем больше фотонов попадает в данную область, тем больше интенсивность света в ней.

Дифракционная картина на экране за щелью оказывается результатом статистического распределения отдельных фотонов.

Полученная в опыте зависимость интенсивности света от координаты полностью совпала к картиной распределения интенсивности света за щелью, описываемой волновой теорией.

Анализ дифракции одиночных фотонов на щели показывает, что движение фотонов принципиально отличается от движения классических частиц. Траекторию движения классической частицы (материальной точки) можно однозначно предсказать, зная ее начальную координату и скорость.

Заранее невозможно предсказать, в какую точку после дифракции на щели попадет фотон. Можно говорить лишь о вероятности попадания фотона в окрестность определенной точки.

Дифракционная картина за щелью возникает потому, что вероятность попадания фотона в разные точки экрана неодинакова.

При большой интенсивности света, когда число фотонов велико, свойства света хорошо объясняются волновой теорией. При малой интенсивности, малого числа фотонов, свойства света описываются квантовой теорией.

При падении на щель одиночных фотонов разной частоты на экране возникают вспышки разного цвета, соответствующего данной частоте, энергия которых пропорциональна частоте света.

Коэффициент пропорциональности между энергией и частотой – постоянная Планка h.

Соотношение неопределенности Гейзенберга

В классической механике, зная начальную координату и скорость (импульс) частицы, можно с помощью законов динамики Ньютона найти ее положение и скорость (импульс) в произвольный момент времени. Всякая частица движется по определенной траектории.

В микромире понятие определенной траектории не имеет смысла. Зная начальное состояние электрона, невозможно однозначно предсказать его будущее движение.

Корпускулярно-волновой дуализм частиц означает, что корпускулярные и волновые свойства неразделимы.

Координаты частицы характеризуют ее корпускулярные свойства, длина волны де Бройля и связанный с ней импульс характеризует волновые свойства частицы.

Область локализации частицы можно ограничить узкой щелью шириной a, на которую по оси X падает поток электронов с импульсом p.

При этом неточность измерения или неопределенность координаты y частицы Dy – a, так как точно неизвестно, через какую именно точку щели пролетает электрон.

Волновые свойства электрона характеризуются длиной волны де Бройля λБ = h/p

При дифракции на щели электрон изменяет направление своего движения, соответственно направление скорости и импульса. Возникает компонента импульса по оси Y:

py = p sin(α) = sin(α)

Для оценки py можно использовать угол α1, соответствующий первому дифракционному минимуму на щели: a sin(α1) = λ1

Следовательно : py =

Реально возможно попадание электрона в область дифракционных максимумов более высоких порядков, поэтому неточность измерения импульса, или неопределенность импульса Dpy может даже превосходить py:

Dpy ≥

Соотношение неопределенностей Гейзенберга:

Произведение неопределенности координаты частицы на неопределенность ее импульса не меньше постоянной Планка:

 DyDpy ≥ h  .

Пусть импульс частицы точно известен, т.е. Dpy = 0. Это значит, что точно известна и длина волны де Бройля λБ =h/p. Из соотношения неопределенностей следует:

Dy ≥ ® ¥

Дело в том, что длина волны точно определена лишь для гармонической волны постоянной амплитуды и бесконечной протяженности по оси Y. Это значит, что частицу можно обнаружить в любой точке пространства. Она не локализована Dy ® ¥.

С другой стороны, чем точнее определяется координата частицы, тем менее точным становятся сведения о ее импульсе.

Если Dy ® ¥, то Dpy ≥ ® ¥

Соотношение неопределенностей Гейзенберга позволяет оценивать минимальные энергии, которыми обладают микрочастицы при их локализации в определенной области пространства.

Соотношение неопределенностей существует и между другими парами физических величин. Например, между энергией частицы и временем ее измерения.

Кинетическая энергия частицы, движущейся по оси Y: Ey = mvy2/2

Неопределенность энергии: DEy = Dvy ≈ Dvy = mvyDy

Неопределенность импульса (py = mvy): Dpy = mDvy

Неопределенность координаты (y = vyt): Dy = vyDt

Подставляя Dp и Dy в соотношение неопределенностей:

mvyDvyDt ≥ h

Соотношение неопределенностей для энергии частицы и времени ее измерения:

 DEyDt ≥ h .

Физический смысл этого соотношения: чем меньше время Dt частица пребывает в некотором состоянии, тем менее определена ее энергия

DEy ≥

В стационарном состоянии, где время пребывания частицы стремится к бесконечности Dt®¥ , ее энергия вполне определена, так как DEy ® 0

Принципиальный вывод, следующий из соотношений неопределенности Гейзенберга:

Нельзя независимо рассматривать корпускулярные и волновые характеристики микрочастиц: они взаимосвязаны.

Одновременное точное определение положения и импульса частицы невозможно.

Этот вывод не согласуется с привычными представлениями классической механики об определенной координате и скорости (импульсе) частицы.

СПЕКТРЫ(уч.11кл.стр.336-339)

(см.выше «Постулаты Бора»)

Спектральный анализ

Линейчатые спектры

Спектр излучения

Спектр поглощения

Применение спектрального анализа

Атомы каждого химического элемента излучают определенные длины волн и имеют линейчатый спектр, характерный именно для этого элемента

Линейчатый спектр – спектр излучения, состоящий из отдельных узких спектральных линий различной интенсивности.

Линейчатые спектры элементов строго индивидуальны.

Определены эталоны и составлены таблицы спектров всех атомов.

Исследование линейчатого спектра позволяет определить, из каких химических элементов состоит изучаемое вещество и в каком количестве в нем содержится каждый элемент.

Спектральный анализ – метод определения химического состава и других характеристик вещества по его спектру.

Спектральный анализ имеет очень высокую чувствительность. Он позволяет определять химический состав удаленных объектов по излучаемому ими свету.

Спектральный анализ можно проводить и по спектру поглощения. Например, солнечная атмосфера избирательно поглощает свет, что приводит к появлению линий поглощения на фоне непрерывного спектра фотосферы.

Атмосфера Земли поглощает коротковолновое ультрафиолетовое (поглощает озоновый слой), рентгеновское, гамма-излучения.

Помимо химического состава, исследование спектров позволяет определить температуру, давление, скорость движения, напряженность электрического поля и индукция магнитного поля объектов.

ДОПОЛНИТЬ

ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ(уч.11кл.стр.337-338)

Для излучения фотона атом должен обладать избыточной энергией по сравнению с энергией основного состояния, т.е. атомный электрон должен находиться в возбужденном состоянии.

Переход атома в возбужденное состояние возможен при сообщении ему энергии извне.

Тепловое излучение возникает при тепловых столкновениях атомов.

Кроме теплового излучения возможен еще один вид излучения – люминесценция (лат.luminis – свет)

Люминесцентные явления различаются механизмом возбуждения атомов.

Катодолюминесценция – возникает при бомбардировке атомов электронами

Фотолюминесценция – при облучении вещества видимым светом, рентгеновским или гамма -излучением

Хемилюминесценция – при химических реакциях

Флуоресценция – кратковременная люминесценция, заканчивающаяся через 10-8с после возбуждения

Фосфоресценция – длительная люминесценция

На явлении люминесценции основана работа люминесцентных ламп. Внутренняя поверхность этих ламп покрыта люминофором – веществом, в котором происходит люминесценция ( в лампах – фотолюминесценция, в электронных трубках – катодолюминесценция)

Опыты по фотолюминесценции впервые в России были проведены в 50-х годах ХХ в. С.И.Вавиловым.

ЛАЗЕРЫ(уч.11кл.стр.340-344)

Поглощение, спонтанное и вынужденное излучения

История создания лазеров

Инверсная населенность

Метастабильное состояние

Принцип действия рубинового лазера

Основные особенности лазерного излучения

Применение лазеров

Рассмотрим возможные процессы взаимодействия атома с фотоном.

Энергия фотона hυ = E2 – E1 (энергии возбужденного и основного состояний атома)

1. Поглощение света

Электрон атома, находящийся в основном состоянии с энергией Е1, может поглотить фотон, перейдя в возбужденное состояние с энергией Е2 > E1. Интенсивность поглощенного излучения пропорциональна концентрации атомов, находящихся в основном состоянии

2. Спонтанное излучение

В отсутствие внешних полей или столкновений с другими частицами электрон, находящийся в возбужденном состоянии, через время порядка 10-8-10-7с самопроизвольно (спонтанно) возвращается в основное состояние, излучая фотон.

Спонтанное излучение – излучение, испускаемое при самопроизвольном переходе атома из одного состояния в другое.

Спонтанное излучение разных атомов происходит некогерентно, так как каждый атом начинает и заканчивает излучать независимо от других.

3. Индуцированное излучение

В 1917 г. Эйнштейн предсказал, что возбужденный атом может излучать под действием падающего на него света.

Переход электрона с верхнего энергетического уровня на нижний с излучением кванта может происходить под влиянием внешнего электромагнитного поля с частотой, равной собственной частоте перехода

Такое излучение называют вынужденным или индуцированным.

Индуцированное (вынужденное) излучение – излучение атома, возникающее при его переходе на более низкий энергетический уровень под действием внешнего электромагнитного излучения.

Интенсивность индуцированного излучения пропорциональна концентрации атомов, находящихся в возбужденном состоянии.

У световой волны, возникшей при индуцированном излучении, частота, фаза, поляризация и направление распространения оказываются такими же, как и у волны, падающей на атом.

Это означает, что к первичному фотону, падающему на атом от внешнего источника, добавляется идентичный фотон индуцированного излучения атома. Тем самым увеличивается интенсивность внешнего излучения – возникает оптическое усиление.

В результате взаимодействия возбужденного атома с фотоном , частота которого равна частоте перехода, высока вероятность появления двух одинаковых фотонов с одинаковым направлением и частотой.

В итоге получается результирующая волна с амплитудой большей, чем у падающей.

Особенностью индуцированного излучения является то, что оно монохроматично и когерентно. Это свойство положено в основу действия лазеров (оптических квантовых генераторов).

В 1939 г. российский физик В.А.Фабрикант наблюдал экспериментальное усиление электромагнитных волн (оптическое усиление) в результате процесса индуцированного излучения.

Российские ученые Н.Г.Басов и А.М.Прохоров и американский физик Ч.Таунс, создавшие в 1954 г. квантовый генератор излучения, были удостоены в 1964 г. Нобелевской премии.

Первый лазер, работающий на кристалле рубина в видимом диапазоне, был создан в 1960 г. американским физиком Т.Мейманом.

Лазер – Light amplification by stimulated emission of radiation – усиление света с помощью вынужденного излучения

Лазер – источник излучения, усиливаемого в результате индуцированного излучения.

Усиление падающего на среду излучения возникает тогда, когда интенсивность индуцированного излучения превысит интенсивность поглощенного излучения.

Это произойдет в случае инверсной населенности, если в возбужденном состоянии находится больше частиц, чем в основном n2 > n1

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64