Корпускулярно-волновой дуализм микрочастиц. Гипотеза де Бройля

Кафедра

УТВЕРЖДАЮ

Заведующая кафедрой

. Е.Рябоконь

«»_________2013 г.

ЛЕКЦИЯ

по учебной дисциплине «Ф И З И К А»

Д-0302-1

Раздел № 5. Основы квантовой физики

Тема № 20 .Элементы квантовой механики

Занятие № 82 .Волновая функция

Обсуждено на заседании предметно-методической комиссии Протокол №______ от «_____» _______________2013г.

Санкт-Петербург

I. Учебные цели

Ознакомить с гипотезой де Бройля. Ввести представление о квантовой механике и обсудить критерии применимости принципа причинности к явлениям в микромире.

II. Воспитательные цели

Воспитывать диалектико-материалистическое мировоззрение; привычку к строгому логическому мышлению.

III. Расчет учебного времени

Содержание и порядок проведения занятия	Время, мин
ВСТУПИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ Учебные вопросы 1. Корпускулярно-волновой дуализм микрочастиц. Гипотеза де Бройля. 2. Формула де Бройля и ее экспериментальное подтверждение. 3. Волновая функция и ее статистический смысл. 4. Соотношение неопределенностей Гейзенберга ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ

IV. Литература

1.Савельев И.В. «Курс общей физики», книга 5, М., Астрель АСТ, 2004 с. 69-84;

2. Исмагилов Р. Г. «Квантовая физика», часть 1, С-Пб, СПВВИУС, 1998 с. 53-59, 65-76

3. Савельев, И. В.Курс общей физики. В 5 кн. Кн.5. Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твердого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц: учебное пособие для втузов Издательство: Астрель, АСТ, 2004 г.

4. Трофимова Т.И. Курс физики : учеб.пособие для студ. учреждений высш. проф. образования — 19-е изд., стер. — М. : Издательский центр «Академия», 2012. — 560 с.

5. Савельев И.В. Курс общей физики: в 4 т. — Т. 3. Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твердого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц: учебное пособие. — 2-е изд., стер. — М.: КНОРУС, 2012. — 368 с.

V. Учебно-материальное обеспечение

1. Конспект лекций курсантов

2. Ноутбук

3. Проектор

4. Компьютерные презентации

VI. Текст лекции

Введение

Квантовой механикой называется раздел теоретической физики, изучающий движение микрочастиц (электронов, протонов и др.). Это один из основных разделов современной физики, без изучения которого невозможно объяснить работу современной электронной аппаратуры, лазерной и криогенной техники.

Физические представления и понятия, составляющие фундамент и язык современных прикладных дисциплин, возникли и получили развитие именно в рамках квантовой механики. Они существенно отличаются от классических представлений и понятий, знакомых нам по предыдущим разделам физики.

Невозможность применения классической физики, основанной на механике И.Ньютона и электродинамике Дж.Максвелла, для описания движения микрочастиц обнаружилась в самом начале ХХ века. Действительно, начало века было отмечено рядом крупных физических открытий: объяснение законов излучения абсолютно черного тела и понятие о квантах света (М.Планк, 1900 г.), теория относительности и объяснение законов фотоэффекта (А.Эйнштейн, 1905г.). В опытах Р.Милликена (1911 г.) окончательно было доказано существование электрона, и в том же году Э.Резерфорд после серии экспериментов по рассеянию a-частиц выдвинул планетарную модель атома. Наконец, Н.Бор в 1914 г. получил формулу, описывающую спектр простейшего атома – водорода. Сделать это удалось за счет введения постулатов, которые противоречили классической физике и распространяли квантовую гипотезу и на движение электронов. Полный успех теории Бора убедительно продемонстрировал, что без введения новых понятий и принципов объяснение явлений микромира невозможно.

Несколько другая ситуация возникла в оптике, где сложился своеобразный паритет: квантовая гипотеза прекрасно объясняла фотоэффект и спектр теплового излучения, но сталкивалась с большими трудностями при объяснении процессов распространения и дифракции света. Наоборот, классическая электродинамика легко объясняла дифракционные явления, но была неспособна дать правильное описание процессам испускания и поглощения света.

Борьба двух точек зрения (волновой и корпускулярной) привела к выдвижению концепции корпускулярно-волнового дуализма света, признающей и постулирующей его двойственную природу: в одних экспериментах свет ведет себя как волна, а в других – как частица. Возникновение такой концепции означало неспособность классической физики объяснить природу света.

Учебные вопросы

Корпускулярно-волновой дуализм микрочастиц. Гипотеза де Бройля

В 1923-1924 гг. Луи де Бройль выдвинул гипотезу, согласно которой волновые свойства присущи не только фотонам (квантам света), но и любым частицам материи. Каждой частице соответствует некоторая волна, причем длина волны и ее частота связаны с импульсом и энергией частицы:

l=h/p , n=E/h , (1)

где h = 2p? =6,62×10^-34 Дж×с - постоянная Планка. Первая из этих формул носит имя де Бройля.

Соотношения (1) были взяты де Бройлем из физики фотонов. Действительно, энергия квантов света определяется их частотой: E = hn. Импульс фотона, связанный, согласно теории относительности, с его энергией формулой p = E/c , легко выражается через длину волны:

p = E/c = hn/c = h/l .

Таким образом, гипотеза де Бройля состоит в распространении концепции корпускулярно-волнового дуализма на все частицы материи.