Дифракция волн Естественный и поляризованный свет Строение атомного ядра Закон радиоактивного распада Дифракционная решетка Электромагнитная природа света

Физика Курс лекций и примеры решения задач

Гипотеза де Бройля. Опыты по дифракции электронов. Длина волны де Бройля.

Волновые свойства частиц. Гипотеза де Бройля

 де Бройль выдвинул гипотезу об универсальности корпускулярно-волнового дуализма. Де Бройль утверждал, что не только фотоны, но и электроны и любые другие частицы материи наряду с корпускулярными обладают также и волновыми свойствами.

Согласно де Бройлю, с каждым микрообъектом связаны, с одной стороны, корпускулярные характеристики – энергия E и импульс p, а с другой стороны, волновые характеристики – частота n и длина волны l.

Корпускулярные и волновые характеристики микрообъектов связаны такими же количественными соотношениями, как и у фотона: 11class/lesson_35/63135656542342-1.gif

Гипотеза де Бройля постулировала эти соотношения для всех микрочастиц, в том числе и для таких, которые обладают массой m. Любой частице, обладающей импульсом, сопоставлялся волновой процесс с длиной волны n = h / p.

На первом удачном эксперименте было обнаружено, что пучок электронов, рассеивающийся на кристалле никеля, дает отчетливую дифракционную картину, подобную той, которая возникает при рассеянии на кристалле коротковолнового рентгеновского излучения.

Впоследствии дифракционные явления были обнаружены также для нейтронов, протонов, атомных и молекулярных пучков. своих экспериментах Томсон наблюдал дифракционную картину, возникающую при прохождении пучка электронов через тонкую поликристаллическую фольгу из золота. Упрощенная схема опытов Дж. Томсона по дифракции электронов. K – накаливаемый катод, A – анод, Ф – фольга из золота.

3) Электромагнитная природа света. Понятие о когерентности. Сложение колебаний. Временная и пространственная когерентность.

В основе этой теории лежат уравнения Максвелла:

http://koriolan404.narod.ru/fe3s/08.files/image004.gifгде rE и rH - векторы напряженности электрического и магнитного полей, rD и rH - векторы электрической и магнитной индукции, rj- вектор тока проводимости, ε и μ - относительные элек-трическая и магнитная проницаемости, ε0 и μ0 - электрическая и магнитная постоянные.

Электромагнитные волны Максвелла были обнаружены Г.Герцем и исследованы на опыте. Колебания возбуждались вибратором, состоящим из двух цинковых шариков, разделенных искровым промежутком. Было показано, что возбуждаемые волны являются поперечными и обнаруживают явления дифракции, поляризации, интерференции.

Что касается отличий, существующих между электромагнитными волнами, обнаруженными Герцем, и световыми, то они могут быть объяснены только отличием длин волн. Можно было утверждать, что явления оптические представляют собой частный случай более общего класса электромагнитных явлений. Видимый свет, непосредственно воспринимаемый человече-ским глазом, занимает узкий интервал длин электромагнитных волн от 0,40 до 0,76 мкм.

Два колебательных процесса называются когерентными, если разность фаз складывающихся колебаний остается постоянной в течение времени, достаточного для наблюдений.

Пусть в некоторой точке пространства складываются две световые волны rE1 и rE2 одинаковой частоты с амплитудами rE01 и r E02, причем векторы rE1 и rE2 колеблются в одной плоскости:

http://koriolan404.narod.ru/fe3s/08.files/image006.gif.В теории колебаний показывается, что результирующее колебание http://koriolan404.narod.ru/fe3s/08.files/image008.gifимеет ту же частоту, а амплитуда и фаза определяются из соотношений:

http://koriolan404.narod.ru/fe3s/08.files/image010.gif, http://koriolan404.narod.ru/fe3s/08.files/image012.gif.

где Δϕ=ϕ1-ϕ2 - разность фаз складывающихся колебаний.

Вычислим усредненную интенсивность I световых колебаний в данной точке пространства за время τ, достаточное для наблюдений (много больше периода колебаний)

http://koriolan404.narod.ru/fe3s/08.files/image014.gif

Если за время τ Е01 и Е02 сохраняются постоянными, то

http://koriolan404.narod.ru/fe3s/08.files/image016.gif 

1.Если разность фаз постоянна во времени, то

http://koriolan404.narod.ru/fe3s/08.files/image018.gif

а так как I∼<E2> и Δϕ величина постоянная  то I0 ≠ I1+I2.

2. Если Δϕ меняется во времени случайным образом, а время наблюдения τ много больше среднего периода изменения разности фаз, то

http://koriolan404.narod.ru/fe3s/08.files/image020.gif Тогда I0 = I1+I2  Это наблюдается при сложении некогерентных колебаний.

Временная когерентность. Продолжительность процесса излучения света атомами τ =10-8 с. За этот промежуток времени возбужденный атом, растратив свою избыточную энергию на излучение, возвращается в основное состояние, и излучение им света прекращается. Затем вследствие столкновения с другими атомами, электронами или фотонами атом снова может возбудиться и начать излучать свет. Такое прерывистое излучение света атомами в виде отдельных кратковременных импульсов - цугов волн - характерно для любого источника света, независимо от тех физических процессов, которые происходят в источнике.

Пространственная когерентность. Во всех практических интерференционных схемах большое значение имеет размер когерентных источников света. Если размеры когерентных источников много меньше длины волны, то всегда получается резкая интерференционная картина. Однако на практике размеры источников обычно много больше длины световой волны. В этом случае, по существу, на экране имеется наложение множества интерференционных картин, полученных от множества пространственно разделенных пар точечных когерентных источников света, на которые можно разбить исходные протяженные источники. Эти картины будут сдвинуты одна относительно другой так, что результирующая картина будет размыта, и при большом размере источников она практически исчезает.

Билет №9.

2) Интерференция света. Длина и время когерентности. Оптическая длина пути и оптическая разность хода лучей. Способы получения интерференционных картин.

Явление, при котором происходит пространственное перераспределение энергии светового излучения при наложении двух или нескольких световых волн, называется интерференцией.

Два колебательных процесса называются когерентными, если разность фаз Δφ=φ1 - φ2 складывающихся колебаний остается постоянной в течение времени, достаточного для наблюдений.

Свет состоит из последовательности кратковременных импульсов (цугов волн) со средней длительностью τ, фаза которых имеет случайную величину. Пусть средняя длина цугов равна l0, очевидно, что взаимодействовать между собой могут только те цуги волн, пространственное расстояние между которыми l ког < l0, в противном случае в точке наблюдения цуги, между которыми рассматривается взаимодействие, просто не встретятся. Величина l ког=l0 называется длиной когерентности, и она определяет максимально допустимую разность хода между взаимодействующими волнами, при которой еще может наблюдаться явление интерференции. А время, равное средней длительности излучения цугов, называется временем когерентности t ког=< τ >. В течение этого времени начальная фаза волны сохраняет свою постоянную величину. Время и длина когерентности связаны между собой очевидным соотношением

l ког = с*t ког

Оптическая длина пути.

L = S*n, S - геометрическая длина пути, n – показатель преломления среды.

Оптическая разность хода – разность оптических длин, проходимых волнами.

МЮΔ = L2 - L1 = S2*n2 – S1*n1

Способы получения интерференционных картин.

Метод Юнга. Свет от ярко освещено щели падает на две щели играющие роль когерентных источников.

ЗФЗеркала Френеля. Свет от источника падает расходящимся пучком на 2 плоских зеркала, расположенных под малым углом. Роль когерентных источников играют мнимые изображения источника. Экран защищен от прямого попадания лучей заслонкой.

БФБипризма Френеля. Свет от источника преломляется в призмах, в результате чего за бипризмой распространяются световые лучи, как бы исходящие из мнимых когерентных источников.

ЗЛЗеркало Ллойда. Точечный источник находится близко к поверхности плоского зеркала. Когерентными источниками служат сам источник и его мнимое изображение.

3) Волновые свойства частиц. Соотношение неопределенности Гейзенберга. Уравнение Шредингера.

Для описания квантовых систем вводится волновая функция ψ(x,y,z,t). Она определяется таким образом, что вероятность dw того что частица находится в элементе объема dV была равна: dw = | ψ^2|dV.Физический смысл имеет не сама функция, а квадрат ее модуля которым задается интенсивность волн Де Бройля.

Волновая функция, характеризующая вероятность обнаружения действия микрочастицы в элементе объема должна быть: 1) конечной; 2) однозначной; 3) непрерывной. Волновая функция удовлетворяет свойству суперпозиции.

Для описания микрочастиц используются то волновые, то корпускулярные представления. Поэтому им нельзя приписывать все свойства частиц и волн. Согласно соотношению неопределенностей Гейзенберга микрочастица е может иметь одновременно и определенную координату (x,y,z) и определенную соответствующую проекцию импульса (px,py,pz), причем неопределенности этих величин удовлетворяют условиям, т.е. произведение координаты и соответствующей ей проекции импульса не может быть меньше величины порядка h. Из соотношения следует, что, например, если частица находится в состоянии с точным значением координаты, то в этом состоянии проекция ее импульса оказывается совершенно неопределенной, и наоборот.

i*ћ* ∂ψ/ ∂t = - ћ^2 *Δψ/ 2m  + U(x,y,z,t)* ψ

m – масса микрочастицы, Δ - оператор Лапласа (в декартовых координатах оператор Лапласа имеет вид Δ= ∂^2/∂x^2 + ∂^2/∂y^2 + ∂^2/∂z^2), U(x,y,z,t) − функция координат и времени, описывающая воздействие на частицу силовых полей.

Уравнение называется общим уравнением Шредингера. Оно дополняется условиями, накладываемыми на функцию Ψ :

1) Ψ − конечная, непрерывная и однозначная.

2) производные от Ψ по x, y, z, t непрерывны.

3) функция |Ψ|^2 должна быть интегрируема.

ћ^2 *Δψ/ 2m + (E - U(x,y,z,t))* ψ = 0

Это уравнение не содержит времени и называется стационарным уравнением Шредингера.

№ 1.4.3.

Определить величину энергии магнитного поля в кольцевом электромагните, применяемом для магнитотерапии, если при силе тока I = 1 А в нем возникает магнитный поток Φ = 0,2 Вб.

Решение

Энергия магнитного поля определяется выражением:

.  (1)

Учитывая, что , (1) можно переписать:

. (2)

Подставляя в (2) численные значения, получим:

.


Фильтры atoll официальный сайт, a на www.atoll-filters.ru.
Дифракция ренгеновских лучей на пространственной решетке