Реферат на тему:


Воспользуйтесь поиском к примеру Реферат        Грубый поиск Точный поиск






Загрузка...
Гипотеза де Бройля

Гипотеза де Бройля. "Волны материи»

План

1. Гипотеза де Бройля. "Волны материи»

2. Соотношение неопределенностей

Накопление противоречивых фактов о свойствах света (в одних случаях типичный волновой процесс, в других типичная частица-фотон), с одной стороны, и постулаты Бора, объясняют устойчивость атома, с другой стороны, требовали однозначных объяснений.

их предложил Луи де Бройль в 1923 году. Де Бройль по-настоящему верил в единство природы и не мог даже предположить, что свет - нечто особенное, ни на что другое в природе не похоже. Он выдвинул гипотезу, что не только свет, но и все тела в природе должны обладать как корпускулярными, так и волновыми свойствами одновременно. Но понять, что такое "волна материи", обычному человеку трудно; волна и частица кажутся нам совершенно несовместимыми понятиями. При слове "частица" мы можем представить себе песчинку, камень или даже земной шар; когда мы говорим о волне, то представляем бурное море струну, что звучит. И объединить эти представления в одном образе невозможно.

Фотон частица света имеет импульс, где - длина волны света, которому соответствует этот фотон. Де Бройль предположил, что это соотношение является универсальным, то есть движения частиц, имеющих импульс & nbsp ;, соответствует длина волны Эти волны получили название "волны де Бройля", или "волны материи". Поскольку импульс частицы равен произведению ее массы на скорость движения (), то длина волны де Бройля .

Очень долго физики не могли понять смысл гипотезы де Бройля. Сам автор представлял волну - пилота, на своем горбу несет электрон; прошло много времени, пока привыкли к мысли, что волна де Бройля и есть сам электрон.

История гипотезы, которую выдвинул де Бройль, более поучительна. Будучи по специальности историком, он увлекся физикой под влиянием старшего брата, признанного ученого в области рентгеновских лучей. В 1963 Луи де Бройль вспоминал: "Мектронив, полностью напоминали дифракцию рентгеновских лучей. Это было естественно, поскольку электроны, ускоренные потенциалом всего лишь 100 вольт, имеют длину волны де Бройля примерно м то есть ее можно сравнить с длиной волны рентгеновских лучей и размерами атома.

Позже явление дифракции частиц нашло широкое применение для изучения структуры твердого тела и его поверхности. Созданы и широко используются для этих целей электронные микроскопы и электронографы.

Соотношение неопределенностей

На начале 1927 году практически одновременно произошли два важных события. Гейзен-берг догадался, что понятие "волна" и "частица" относительно квантовых объектов можно применять строго только порознь и выразил эту догадку количественно в виде соотношения неопределенностей. Бор предложил общий принцип дополнительности, частным случаем которого было соотношение неопределенностей Гейзенберга.

Анализируя возможности измерения координаты и импульса квантового объекта (например, электрона), Гейзенберг утверждал: невозможно одновременно и к тому же точно измерить координату и импульс. Принимая во внимание формулу де Бройля

это означает: нельзя одновременно и в то же время точно определить положение х атомного объекта и длину его волны X. Следовательно, одновременное использование понятий "частица" и "волна" ограничен. Численно такое ограничение выражает неравенство соотношение неопределенностей

Одновременно определить и координату, и импульс частицы нельзя более точно, чем это допускает соотношение неопределенностей. Чем точнее задано координату, то есть чем меньше & nbsp ;, тем менее точно можно задать импульс, так как величина обратно пропорциональна & nbsp ;. И наоборот, чем точнее задан импульс частицы, тем хуже определены ее координату.

Ограничения, устанавливает соотношение неопределенностей, является неизменным законом природы и никак не связаны с несовершенством наших приборов. Ссылка на всемогущество науки здесь есть недоречного; сила науки состоит не в том, чтобы нарушать законы природы, а в том, чтобы открыть их, понять и использовать.

Вспомним одно обстоятельство, хорошо известную по истории физики. Изобретатели очень долго пытались построить или хотя 6 спроектировать вечный двигатель, то есть машину, которая выполняет работу без подвода энергии извне. Петр даже основал академию для проведения таких изысканий. Однако анализ любого конкретного проекта вечного двигателя уже является ошибочным. Совокупность всех этих неудачных проектов, или мысленных экспериментов, и привела к выводу, что вечного двигателя в природе не существует. Это утверждение является одним из формулировок закона сохранения энергии.

Подобным образом мнимые опыты по измерению координаты и импульса частицы привели Гейзенберга и Бора к другому, не менее фундаментального закона принципа неопределенности: координата и импульс частицы как точные физические величины одновременно не существуют. Принципиально не существует такая процедура их измерения, 6 привела к их точного определения. Это не субъективным неполноценность экспериментаторов, а объективный закон природы.

На тех, кто желает опровергнуть соотношение неопределенностей, ждет судьба изобретателей вечного двигателя. Такие опыты пытался придумать сам Эйнштейн, но и он не смог стать над природой. Этот пример поучителен для тех, кто и в наше время пытается обойти ограничения, которые накладывает принцип неопределенности.

Принцип неопределенности не отрицает факт существования координаты и импульса как точных физических величин: он только утверждает, что эти величины не существует одновременно как точны. Каждую из них в отдельности можно точно задать или как угодно точно измерить.

Это утверждение означает отказ от традиционных физических представлений. Когда мы говорим о траектории частицы, то понимаем, что для каждого момента времени известно ее положение (координата) и скорость (импульс). Принцип неопределенности лишает смысла понятие траектории, когда речь идет, конечно, только о микрочастицы. Для макрочастинок постоянная Планка слишком малая величина, а значит координата и скорость могут быть определены вместе с любой нужной точностью, то есть траектория макрочастичками существует всегда.

Таким образом, квантовая механика создала особую концепцию механического движения не по траектории. Движение по траектории был возможным благодаря точному предсказанию будущего, зная прошлое. В квантовой механике предсказания имеет вероятностный характер. Это не означает отказа от закономерностей движения просто законы квантовой механики описывают не сами величины, а вероятности их появления. Можно, например, определить вероятность того, что электрон окажется в той или иной точке пространства, но нельзя предсказать заранее, в какую именно точку он попадет.

Итак, в отличие от классических законов движения, квантовые законы сами включают в себя понятие вероятности и это не связано с несовершенством наших приборов, а является сущностью природы вещей.

Для объяснения причин, приводящих к ограничениям, отраженных в соотношении неопределенностей, Гейзенбергу и Бору пришлось пересмотреть еще одну идеализацию классической физики понятие наблюдения. Современная физика отличается от античной прежде всего тем, что заменила умозаключение опытом. Современная физика не отрицает, что явления природы существуют независимо от того, можем ли мы их наблюдать (так же, как и от нашего сознания). Но она утверждает: объектом наблюдения эти явления становятся только тогда, когда мы укажем точный способ измерения их свойств. В физике понятие "наблюдение" и "измерение" неразделимы.

Наблюдая за светилами, люди когда-то верили в то, что они влияют на личные судьбы людей. В наше время мы иронизируем по поводу этого предрассудка (не будем в данный момент обсуждать недавно возрожденную моду на астрологические прогнозы, гадания, снятие порчи, сглаза и т.п.). Но, вероятно, и наши не очень далекие предки, обладали способностью научно мыслить, посмеялись бы над утверждением, что когда-нибудь появятся такие неживые объекты, на которые существенно влияют наблюдения или измерения. Всякому понятно, сказали бы ученые прошлого, Луна и планеты движутся по своим орбитам независимо от астрономов и астрологов. Таким образом, механика, которая возникла благодаря астрономическим измерениям, никогда в прошлом не ставила перед собой вопрос, какова обратная действие наблюдения на объект, и это, безусловно, не было нужно до тех пор, пока изучался движение больших и тяжелых тел: планет, спутников, снарядов, ракет, машин и механизмов. Этот вопрос очевидно понятным и никогда он не возникал как отдельное предположение даже во время подробного изучения механики. А механика была основой всего точного естествознания.

Постараемся в наглядной форме объяснить сущность радикальных изменений в механике, возникших в связи с открытием квантовых законов движения.

Для этого обсудим Некоторые пункты, не обсуждались ранее, в доквантовий физике. Дело здесь в необоснованном экстраполяции физических понятий на такие объекты, к которым эти понятия неприменимы. Рассмотрим процесс физического измерения. Не уяснив содержания того, что происходит при измерении величины, невозможно определить эту величину как физическую. Первые измерения в науке были связаны с нахождением места светил на небосклоне; отсюда, как отмечалось, берет свое начало механика.

Сколько бы мы ни анализировали сущность процедуры измерения, прибегая к этому примеру, последнее, что может прийти в голову это ее влияние на измеряемый объект. Фиксируя положение светила или фотографируя скоростным методом шар, летящий мы никак не меняем их дальнейшее состояние. Так можно сделать вывод, что возникла почти бессознательного уверенность в том, что физический объект вообще не должен подвергаться никакого влияния со стороны измерительного прибора, поскольку в противном случае невозможно регистрировать объективные закономерности, которые не зависят от желания и сознания экспериментатора. Точнее, мы считаем, что експериментатор не должен пользоваться такими измерительными приборами, которые способны определенным неконтролируемым образом действовать на объект измеряется. Сейчас, как будто в ретроспективу хорошо видно, что это требование явно противоречит концепции атомизма. Но пока атом оставался скорее умовивидним, чем физическим понятием, никто, похоже, даже не думал о том, что прибор для измерений отдельного атома сам не может быть меньше атома. А если бы и нашелся мудрец, своим умом дошел до этого, его идеи встретили бы, скорее всего, ироническую оценку. Даже тогда, когда квантовая теория уже была в ее нынешнем виде, идеи Бора и Гейзенберга по особой роли измерений в мире атомов многие ученые встретили с большим недоверием. Причем Эйнштейн тоже был среди этих многих.

Итак, в чем заключается взаимосвязь между физическим законом и физическим измерением? Поскольку силу физического закона не зависит от воли наблюдателя, на поставленный вопрос хотелось 6 ответить так: то же измерения, проведенное в одинаковых условиях над тем же объектом, всегда дает одинаковый результат. Всегда ли это верно? Для начала воспользуемся наглядной аналогии. Предположим, что кто-то захотел узнать показания секундомера в темноте. Придется действовать на ощупь. Но прикосновение к стрелки секундомера, пожалуй, повлияет на ее движение, и результат окажется недостаточно точным, особенно если надо будет измерять промежуток времени между двумя событиями. Как правило, мы используем световые волны, отраженные от стрелки, считая, что это не сказывается на ее движении. Однако еще в 1900 году П. Н. Лебедев экспериментально доказал, что свет оказывает давление на тела еще раньше это было предусмотрено в электромагнитной теории света. Если представить себе очень легкую стрелку секундомера, то освещение станет не менее грубой операцией, чем ощупывания. Можно ли тогда узнать, какие показания секундомера? Однажды все-таки можно, но после этого из-за грубого вмешательства ход секундомера нарушится, причем так, что следующее показания никак не будет связано с предедним. Иными словами, нельзя измерить промежуток времени, который разделяет два показания.

Атом с электроном, движущимся в нем, реальный аналог-маленького механизма, положение частиц которого невозможно определить, не нарушив при этом существенно само движение. Причем это невозможно не технически, а принципиально. Чем точнее измеряется координата электрона, тем сильнее меняется его скорость. Причем, и это очень важно, такое изменение скорости нельзя ни вычислить заранее, ни дополнительно определить при измерении координаты.

Что произойдет, если мы попытаемся измерить координату электрона в атоме? Размеры атома м. Поэтому для того, чтобы получить какое-то разумное значение координаты, надо хоть как-то уточнить ее например, измерить с точностью до м. Ведь достаточно сказать, что электрон находится в атоме, и этим координату будет задан с точностью до м, и никаких измерений не требуется.

Чтобы добиться точности м при измерении координаты, надо направить на атомный электрон другой электрон, длина дебройливеькои волны которого м. Если они столкнутся, это значит, что атомный электрон действительно был зарегистрирован в столь малой области пространства. Электрон, налетает, имел скорость 7-Ю7 м / с - это легко вычислить по его дебройливською длиной волны. Так же просто вычислить и его энергию получим 14000 эВ. Если такой энергичный электрон столкнется с атомным, он передаст ему значительную часть своей энергии. Какую именно? На этот вопрос ответить невозможно, потому что столкновение произошло примерно в пределах точности м, точнее сказать нельзя, учитывая, что такой была дебройливська длина волны электрона, налетает. Итак, мы не знаем точно, как происходил пронесет столкновения ли столкнулись электроны "в лоб", или только слегка "зацепили" друг друга. Электрон, задействованный в измерениях, получил в результате самого измерения координаты неопределенный импульс (неопределенную энергию). Мы видим, до какой степени опредения координаты в квантовой механике не похоже на приложения линейки к неподвижному предмету, как это делалось в классической части. Квантовое измерения существенно влияет на измеряемый объект, и тем сильнее, чем большей точности измерения удается достичь. В классической механике всегда считалось, что измерения совсем не сказывается на той системе, над которой оно осуществляется. Наблюдение за планетами, конечно, не действует на их движение. Но совсем другое дело, когда речь идет об измерении характеристик электронов.

Неизвестный импульс, переданный при измерении координаты, именно такой, как этого требует принцип неопределенности, когда задано точность измерения координат. Мы уже указывали, что неопределенность координаты является величиной порядка & nbsp ;. Частица, налетает, может передать какой угодно импульс от нулевого до полного импульса р. Следовательно, неопределенность импульса равна & nbsp ;. По соотношению где

Бройля .

На примере столкновения электронов мы рассматриваем один из мысленных экспериментов, анализ которых привел Гейзенберга и Бора к созданию принципа неопределенности. При этом понятно, что дело здесь не в несовершенстве методов измерения, а в самой природе измерительного процесса по микромира.

Если проанализировать, откуда наша уверенность в том, что классические объекты всегда движутся по траекториям, то станет ясно, что это связано с неограниченной возможностью осуществлять измерения, не влияя на сами объекты.

Когда речь идет о квантовых объекты, то такой возможности нет, и не из-за технического несовершенства методов измерения, а потому и только потому, что постоянная Планка хоть и мала, но имеет конечную величину. Следовательно, есть все основания утверждать, что координата и импульс электрона являются общими физически реальными понятиями в одном и том же его состоянии. Или одно, или другое, или, наконец, оба с некоторой неопределенностью. Бессмысленно спрашивать, поэтому их нельзя измерить, что они вместе не существуют, или, наоборот,они вместе не существует потому, что их нельзя одновременно измерить. Это то же утверждение.

Квантовая механика вовсе не должна отвечать на вопрос, что такое электрон или как он "устроен". Это задачи теории элементарных частиц науки, далеко не завершенной. Название "механика" вроде подчеркивает, что изучаются определенные законы движения, а не природа движущихся. Подобно этому классическая механика изучает движение планет вокруг Солнца, не выказывая интереса к тому, какая их строение. Квантовая механика объясняет движение электронов у ядра в атоме на основе тех, и только тех свойств ядер и электронов, которые являются важными для данного, конкретного задания. Эта задача квантовая механика решает с такой же полнотой, как классическая механика решает основную задачу астрономии. В этом смысле квантовая и классическая механики совершенные равной степени. Уравнения классической механики вытекают из квантовых уравнений автоматически, если установить в них, что постоянная Планка k равна нулю. (Точнее говоря, в этом предельном переходе длина волны соответствует движению частицы, считается бесконечно малой по сравнению с пространством, в котором происходит движение. Но длина волны пропорциональна постоянной Планка, так что формально можно направить к нулю /?). Тогда неопределенности Ах и Ар вроде решаются и

Загрузка...

Страницы: 1 2