РЕСУРС: fizmat.7mile.net
Теорія Бора була значним кроком у розвитку атомної фізики,
однак мала ряд внутрішніх протиріч. Тому необхідно було переглянути уявлення
про природу елементарних частинок (електронів, протонів і т.д.). Оскільки було
переконливо доведено, що світло проявляє корпускулярно-хвильовий дуалізм,
французький вчений Луї де Бройль у 1924 р. висунув гіпотезу про те,
що частинки речовини поряд з корпускулярними властивостями мають також і
хвильові.
Як відомо, фотон має квант енергії , імпульс , масу .
За де Бройлем, між корпускулярними і хвильовими
характеристиками електрона існує такий самий зв’язок, як і між відповідними
характеристиками фотона.
Інакше кажучи, рух
електрона з швидкістю пов’язаний з деяким
хвильовим процесом, довжина хвилі якого визначається рівнянням , де імпульс . Це формула де Бройля.
Якщо частинка має кінетичну енергію , то замінюючи її імпульс P
енергією за формулою , можна записати
.
Зокрема, для електрона, що прискорюється в електричному полі
з різницею потенціалів U, маємо
.
Тоді
.
Для електричних полів
з напругою 1-10В довжини хвиль де
Бройля належать інтервалу , тобто мають
довжини хвиль звичайних рентгенівських променів.
Цікавий результат дало порівняння гіпотези де Бройля і теорії
атома Бора.
Згідно з ІІ постулатом Бора: .
З цього рівняння можна визначити довжину стаціонарної орбіти
,
де згідно з гіпотезою де Бройля .
Отже, довжина стаціонарної орбіти
.
Ціле число n дорівнює числу довжини хвиль
де Бройля для електрона, яке укладається на довжині колової орбіти.
В 1927р. К. Девіссон і Л. Джермер
експериментально підтвердили гіпотезу де Бройля, спостерігаючи розсіювання
електронів монокристалом нікелю. Схема досліду наведена на рис. 288.
З катода К, який
нагрівається ниткою розжарення, вилітають електрони зі швидкістю, яка залежить
від напруги U між катодом і анодом А. Величина напруги може змінюватися
потенціометром. Пройшовши через отвір в аноді, електрони падають на поверхню
нікелю і відбиваються від неї. Відбиті електрони потрапляють в циліндр Фарадея
і створюють струм, який вимірюється гальванометром.
На рис. 289 показано кристалічну гратку нікелю, на якому
проводили дослід на розсіювання під кутом .
При незмінному куті неперервно змінювалась
прискорюючи напруга U і вимірювалась сила струму І. На рис. 290 зображено залежність сили стуму І від напруги U.
При напрузі U=54 В виявився максимум сили струму, а значить і максимуму
кількості відбитих електронів.
З результатів досліду випливає, що розсіювання електронів
монокристалом нікелю нагадує відбивання таким кристалом рентгенівських
променів. Рентгенівські промені відбиваються лише при певних довжинах хвиль,
які задовольняють умову Вульфа-Брегга . Звідси
.
Розсіяння електронів пов’язане з їх хвильовими властивостями,
і довжина хвилі, яка пов’язана з рухомим електроном, визначається його
кінетичною енергією, а значить і напругою U:
.
Цей збіг підтвердився при інших значеннях енергії електронів
і кутів розсіювання.
Для виявлення дифракції електронних пучків було використано
метод дифракції рентгенівського випромінювання Дебая-Шеррера. Якщо вузький
пучок рентгенівського випромінювання проходить крізь дрібнокристалічний
порошок або
тонку металеву пластинку, то після його проходження на фотографічній пластинці утворюється дифракційна картина у вигляді кілець. На рис. 291 подано фотографію дифракційної картини, отриманої при розсіюванні рентгенівських променів пластинкою алюмінію.
Аналогічну картину спостерігали у 1928р. Д. Томсон і П. Тартаковський при пропусканні
крізь металеві плівки потоків електронів. На рис. 292 зображені фотографії
дифракційних картин, отриманих при розсіюванні пучка електронів, що пройшли
крізь тонкі плівки золота і міді.
У методі Дебая-Шеррера діаметр дифракційного кільця певного
порядку прямо пропорційний довжині хвилі і тому відношення для певного матеріалу
при незмінній відстані від зразка до фотопластинки повинно бути сталим. Аналогічні
результати було отримано при дифракції електронів.
Протягом тривалого часу залишалось нез’ясованим, чи хвильові
властивості є окремо у кожної мікрочастинки, чи їх має лише потік багатьох
мікрочастинок. У 1949 р. В. Фабрикант, М. Сушкін, Л. Біберман
провели дослід з дифракції потоку електронів настільки незначної інтенсивності,
що інтервал часу між пролітанням наступних електронів був приблизно в 30000 разів більший від часу, який
необхідний для проходження через увесь прилад, тобто реєструвалось проходження
окремих електронів. При досить тривалій експозиції отримували таку ж
дифракційну картину, як і для інтенсивних пучків електронів. Цей дослід
переконав, що хвильові властивості притаманні кожному електрону.
Відкриття хвильових властивостей електрона показало, що
електрон не можна уявити у вигляді маленької кульки як матеріальної точки. Він
має складну структуру з корпускулярними і хвильовими властивостями одночасно.
Відповідно до гіпотези де Бройля хвильові властивості повинні
мати не тільки електрони, але й будь-які частинки протони, нейтрони, атоми і
молекули.
У 1929р. О. Штерн провів серію
дослідів для вивчення дифракції нейтральних атомів і молекул. При відбиванні
пучків атомів і молекул від поверхонь твердих тіл повинні спостерігатись
дифракційні явища, що описуються тими самими співвідношеннями, які справедливі
для плоскої двовимірної дифракційної гратки.
Досліди, в яких була вивчена дифракція нейтронів на
кристалах, теж є доказом справедливості формули де Бройля. Нейтрони від
кристалів твердих тіл відбиваються і розсіюються в речовині відповідно до умови
Вульфа-Брегга
,
де – довжина хвилі, яка пов’язана з рухомим нейтроном і
задовільняє формулу де Бройля.
Для тіл, маса яких дуже велика порівняно з масою атомів і молекул, ніяких хвильових властивостей виявити не
можна. Наприклад, якщо кулька масою рухається зі швидкістю
, то .
Таку довжину хвилі не можна встановити у жодному
дифракційному досліді. Тому макроскопічні тіла хвильових властивостей практично не
мають.
Із цим матеріалом переглядають:
ü
ФІЗИКА АТОМІВ І МОЛЕКУЛ
1.
Досліди Резерфорда. Ядерна модель
атома.
2.
Атом водню і його спектр за теорією
Бора.
3.
Формула де Бройля. Дослідне
обґрунтування корпускулярно-хвильового дуалізму властивостей речовин.
4.
Співвідношення невизначеностей як
прояв корпускулярно-хвильового дуалізму властивостей матерії. Обмеженість механічного детермінізму.
5.
Хвильова функція і її статистичний зміст.
6.
Рівняння Шредінгера. Принцип причинності в квантовій механіці.
7.
Рух вільної частинки. Частинка в прямокутній
потенціальній ямі. Тунельний ефект.
7.2.
Частинка в одномірній прямокутній
потенціальній ямі.
7.3.
Тунельний ефект.
8.
Атом водню у квантовій механіці.
9.
Дослід
Штерна і Герлаха. Спін електрона.
10.
Принцип Паулі. Розподіл електронів в атомі за станами.
12.
Поняття про енергетичні рівні
молекул. Спектри молекул.
13.
Поглинання, спонтанне і вимушене випромінювання.
14. Оптичні
квантові генератори.
15.
Комбінаційне розсіяння світла.
ПОПЕРЕДНЯ ЗМІСТ НАСТУПНА