Бөлшектердің толқындық қасиеттерінің гипотезасы


№ 14 дәріс тақырыбы: Электрмагниттік сәуле шығарудың кванттық табиғаты
Негізгі сұрақтар:
- Абсолют қара дененің сәуле шығаруының мәселелері.
- Кванттық гипотеза және Планк формуласы.
- Фотондар. Фотоэффект. Комптон эффектісі.
- Электрмагниттік сәуле шығарудың корпускулалық толқындық дуализміфотонның массасы және импульсі қалай анықталады?
- Комптон эффектісін түсіндір.
- Комптондық толқын ұзындығы қалай анықталады?
- Заттың корпускулалық толқындық дуализмі.
- Де Бройльдің гипотезасы.
- Микробөлшектердің толқындық қасиеттері және Гейзенбергтің анықталмағандықтар қатысы.
- Анықталмағандықтар қатысы кванттық механиканың іргелі принципі.
- Анықталмағандық қатынасқа анықтама бер.
- Анықталмағандық қатынасты ашқан ғалым кім?
Фотоэлектрлі эффект. Сыртқы фотоэффект заңдары
Фотоэлектрлі эффект немесе фотоэффект деп белгілі бір толқын ұзындықтағы түсірілген жарықтың әсерінен металдардың электрондарды шығару құбылысын айтады. Металдардағы эффект сыртқы фотоэффект деп аталады, өйткені бұл жағдайда электрондар металдардан сыртқы қоршаған ортаға, яғни вакуумға шығады.
Сыртқы фотоэффект құбылысын 1888 жылы А. Г. Столетов ашқан болатын. Металдардан ұшып шығатын электрондардың жылдамдығы түскен жарықтың қарқындылығына емес, оның жиілігін тәуелді. Фотоэффектің бұл заңдылығы жарықтың толқындық теориясы тұрғысынан айқындалмаған болып шықты. Жарықтың қарқындылығы үлкен болған сайын (жарықтың толқындық энергиясы) ұшып шығатын электрондардың жылдамдығы да үлкен болуы керек еді.
Фотоэффекттің бұл негізгі заңдылығын 1905 жылы Эйнштейн жарықтың сәулеленуінің кванттық сипаты тұрғысынан алып түсіндірген. Абсолютті қара дененің кванттық сипаты сияқты, Эйнштейн фотоэфффект кезінде металға жарық кванттары (фотондар)
энергиясымен түседі деп болжады, мұнда
Эйнштейн бойынша, энергияның сақталу заңымен кванттың бұл энергиясы электронның
мұнда
m
- электрон массасы, ал
(19. 2) теңдігі фотоэффект құбылысына қолданылған энергияның сақталу заңы, ол фотоэффект теңдеуі деп аталады.
Фотоэффект теңдеуінен электронның жылдамдығы тек түскен жарықтың жиілігіне байланысты екендігі көрінеді. Сондай-ақ (19. 2) -тен фотоэффекттің максимал кинетикалық энергиясы , максимал жылдамдығы және фотоэффектінің қызыл шекарасы анықталады. Шынында да, егер квант энергиясы шығу жұмысын жеңуге жеткілікті болса фотоэффект әбден болуы мүмкін. Бұл кезде минималь жиілік
немесе
теңдіктерінен анықталады, осы минималь жиілікке
(19. 5) теңдеуі электронның шығу жұмысы бойынша берілген металл үшін фотоэффекттің болу мүмкіндігін анықтайтын максимал ұзындықты толқынды анықтайды.
Сыртқы фотоэффект қолданылатын ең қарапайым құрал - фотоэлемент- екі металл электроды - катод пен аноды бар шыны баллон. Баллон ішіндегі ауа сорылып алынып, электрондар фотокатодтан анодқа еркін жетуі үшін өте жоғары вакуум жасалған. Фотоэлементтің фотокатоды ретінде баллон шынысының металдық ішкі қабаты алынады. Фотоэлемент аноды темір сым тұзақ алынады. Ол фотоэлементке түсетін барлық жарық ағынын өткізу керек. Егер фотоэлементті нақты бір толқын ұзындықты жарықпен жарықтандырып
Фотонның импулсі және энергиясы
Фотоэффектіні жарықтың жұтылуының кванттық сипатымен түсіндіре отырып, Эйнштейн жалпы гипотеза ұсынды: жарық ерекше жарық бөлшектері - жарық кванттары (фотондар) түрінде таралады. Жарық бір жағынан, электромагниттік толқындар болып табылады, ал екінші жағынан - ол бөлшектер жиынтығына тән бірқатар қасиеттерге ие. Осының өзі жарықтың электромагниттік өрісін элементар бөлшектердің жиынтығы - фотондар деп қарастыруға мүмкіндік береді. Фотондар белгілі бір энергияға, массаға, импульске және спинге ие. Фотондар бөлшектер ретінде
ал оның импульсы (
Фотон тек
жылдамдықпен қозғалатын бөлшек, оның тыныштық массасы нөлге тең (
Егер фотоэлементтің электродына түсірілетін
93-суретте
Қанығу тоғының бар болуы катодтан ұшып шығатын барлық фотоэлектрондардың анодқа келіп жететіндігін көрсетеді. Екіншіден, анодтағы нөлдік кернеуде фототоғының нөлге тең болмауы, фотоэлектрондардың фотокатодтан белгілі кинетикалық энергиямен және белгілі жылдамдықпен ұшып шығатынын көрсетеді. ¦шып шыққан электрондардың максималды жылдамдығын мынадай шарттан анықтауға болады: ток
- -электронның заряды, ал-электронның максимал жылдамдығы.
(19. 8) теңдігін қолданып,
\[\boldsymbol{U_{\alpha}}\]кернеудегі фотоэлектрондардың максимал жылдамдығын анықтауға болады
Комптон эффектісі
Рентгендік сәулеленудің электромагниттік сәулеленудің бір түрі екендігін 1895 жылы сиретілген газдардағы электр разрядтарын зерттеу кезінде Рентген ашты. Металды электродтарда (анодта) электрондардың тежелуі кезінде сәулелену пайда болады. Сондықтан оны спектрі тұтас болып келетін тежеуші рентгендік сәулелену деп атаған. Кейінірек, атомдық физиканың дамуымен қатар сызықтық спектрлі сипатта сипаттамалық рентгендік сәулелену зерттеле бастады.
1923 жылы қатты денелерен рентгендік сәулелердің шашырауын зерттей отырып, Комптон шашыраған сәулелерде арасында ұзындығы
немесе
(19. 10)
мұндағы тұрақты шама
Комптон тәжірибесінің нәтиже кванттық теория негізінде түсіндіріледі. Рентгендік сәулелену сәулеленудің кванттық ағыны (рентгендік фотондар) ретінде қарастырылды, сондай кванттар энергия мен және салмаққа ғана емес, сонымен қатар импульске ие болуы керек делінді.
Комптон формуласынын теориялық қорытуда рентгендік фотондар бөлшектер сияқты шашыратушы заттардың бос электрондарымен серпімді соқтығысқан кезде энергияның сақталу заңымен қатар импульстің сақталу заңы да орындалады деп қарастырылды. .
Сонымен, энергиясы
Осы сияқты импульстің сақталу заңын жазуға болады
мұндағы
және (19. 13) -ті квадраттағанда
(19. 12) теңдіктің екі жағын да квадраттаса
өйткені, бірлік вектордың скаляр көбейтіндісі
(19. 14) теңдіктен (19. 15) -ні алса мынай теңдік шығады
(19. 16)
Электронның
(19. 17)
(19. 17) теңдіктің екі жағын да
(19. 18)
(19. 18) формуласы тәжірибелік мәнге сәйкес келеді, ал
мұндағы
мұны комптондық толқын ұзындығы деп атайды.
Комптон формуласынан шығатындай, ал тәжірибе нәтижелері дәлелдегендей, заттан рентген сәулелері шашырағанда электрондар ағыны пайда болады.
Сонымен, Комптон эффектісі сәулеленудің кванттық теорияның тәжірибелік дәлелдемесі болады. Сонымен қатар, сәулелену кванттарының (рентгендік фотондар) белгілі бір импульске ие екендігі анықталды. .
Бөлшектердің толқындық қасиеттерінің гипотезасы. Толқындық функция және оның физикалық мағынасы. Корпускулалық -толқындық дуализм. Микробөлшектердің кванттық күйі. Кванттық қозғалыс теңдеулері
ХХ ғасырдың басында физиканың дамуы классикалық механиканы микробөлшектерге, сонымен қоса атомдарға және оның оның құрамды бөлшектеріне қолдануға келмейтінін көрсетті. Сондықтан ХХ ғасырдың 20-жылдарында біріншіден, электронға және басқа қарапайым бөлшектерге қолданылатын кванттық (толқындық) механика пайда болды. Кванттық механиканың пайда болуы классикалық статистиканың пайда болуына әкеп тіреді: электрон және басқа да микробөлшектер үшін Максвелл-Больцманның кванттық статистикасын Ферми-Дирак статистикасына алмастыру қажеттігін көрсетті.
Алдымен сәулеленудің корпускулярлық қасиетін қарастырамыз. Абсолютік қара дененің жылулық сәулеленуі мен фотоэффектіні теориялық зерттеулер кезінде сәулені шығару мен жұтулар жеке-жеке порциялар (квант) түрінде өтетіндігі, жарықтың квант энергиясы
мұндағы
Жарық кванты немесе фотон, тыныштық массасы жоқ ерекше бөлшектер (корпускулалар) энергияға, импульске (қозғалыс мөлшеріне) ие
массасы
мұндағы с - вакуумдегі жарық жылдамдығы.
Сонымен, жарық (сәулелену) толқындық қасиетімен қатар корпускулярлық қасиетке де ие.
Жарықтың толқындық және кванттық теорияларының өзара үйлесуін қарастырайық. Оптикадан белгілі, жарықтың толқындық теориясына байланысты кеңістіктің берілген нүктесіндегі толқынның қарқындылығы оның амплитудасының квадратына пропорционал. Ал жарықтың кванттық теориясы бойынша кеңістіктің берілген нүктесіндегі жарықтың қарқындылығы осы кеңістікке түсетін фотондар санына пропорционал. Сонымен теориялар үйлесімі мынадай: кеңістікке түскен фотондар саны кеңістіктің берілген нүктесіндегі толқын амплитудасының квадратына пропорционал, яғни олар бір-бірімен пропорционал байланысқан деп ұйғарылады.
Қарапайым бөлшектердің толқындық қасиеттерін қарастырайық. Алғаш рет 1925 ж. француз физигі де Бройль электрондардың толқындық қасиеттері жөнінде ғылыми болжам жасаған. Де Бройльдың негізгі идеясы квант теориясының негізгі қатынастарын қозғалыстағы элементар бөлшектер қозғалысына қолдану болды.
Сонымен, ол импульсі
мұндағы скалярлық көбейтінді
ал,
Де Бройль жарықтың кванттық теориясына сәйкес фотонның энергиясы мен импульсін анықтайтын (21. 1) және (21. 2) формулалар еркін электрондарды толқын ретінде қарастырғанда орындалады деп жорамалдады, яғни осындай толқынның
Жазық электромагниттік толқын теңдеуін
(21. 6) және (21. 7) -ші формулалардың көмегімен мына түрде жазуға болады


яғни, де Бройль толқыны деп аталған жазық толқынды аламыз.
Қарапайым түрде ОХ осінің бойымен қозғалатын еркін электрон қозғалысының толқындық функциясы
1927 ж. электрондардың дифракциясы бойынша тәжірибелерде де Бройльдың ғылыми болжамы дәлелденді, кейінірек басқа элементар бөлшектердің толқындық қасиеттері анықталды. Сондықтан,
бұл де Бройльдың толқын ұзындығы деп аталады.
Жарықтың кванттық және толқындық теорияларының үйлесімділігінен элементар бөлшектердің, соның ішінде электронның корпускулярлық және толқындық қасиеттерінің үйлесімділігін алуға болады. Бұл жағдайда берілген элементар
Егер соңғы формуланы статистикалық тұрғыдан бір элементар бөлшек үшін қарастырғанда, берілген
Бұл теңдіктен де Бройль толқыны модулінің квадраты кеңістіктің берілген жерінде еркін бөлшектердің табылу ықтималдығының тығыздығына тең екендігі анықталады. Толқын функциясының мұндай түсіндірмесі тек еркін электрондар үшін ғана емес, сонымен бірге еріксіз электрондар үшін де дұрыс.
Сондықтан, толқындық функцияның физикалық мағынасы мынада: оның модулінің квадраты кеңістіктің берілген жеріндегі элементар бөлшектердің (электрондардың) ықтималдылық тығыздығын анықтайды. Сондай-ақ толқындық функция комплексті шама болып табылады. Монохроматты толқындарды немесе толқындар тобын (пакет) қарастыратын болса
(мұндағы
Екінші жағынан, (21. 6) және (21. 7) еркін электрон үшін
Онда соңғы формула негізінде толқын тобының жылдамдығы немесе пакет жылдамдығы мынған тең
мұндағы
Сөйтіп, де Бройльдың толқынының топтық жылдамдығы электронның (элементар бөлшектердік) қозғалыс жылдамдығына тең. Еркін электрондардың толқындық функцияны немесе де Бройль толқыны көрнекі физикалық анықтамаға ие: еркін электрондардың қозғалысын де Бройльдың толқындары (пакет) тобының қозғалысы ретінде қарастыруға болады.
Атомдар мен молеклалардың энергиялық спектрі
XIX ғасырдың соңғы он жылдықтарында атомдарға сызықтық спектрлер , ал молекулаларға жолақты спектрлер тән екендігі нақты анықталады. Атомның сызықтық спектрлері анығырақ болып келеді, олар сызықтар жиынтығынан (сериялардан) тұрады. Ең қарапайым атом - сутегі атомының спектрі жақсы зерттелген: оптикалық спектрлердің көрінетін бөлігінде - Бальмер сериясы; ультракүлгін бөлігінде - Лайман сериясы; ал алыс инфрақызыл аумағында Пашен, Брэкет және Пфунд сериялары.
Спектрдің көрінетін бөлігіндегі спектрлік серияның толқын ұзындығын есептеуге Бальмер мына формуланы ұсынды:
мұңдағы λ 0 -ұзындық өлшемді тұрақты, ал n - бүтін сан, мына мәндерге n= 3, 4, 5 . . . тең.
Бірақ та спектроскопияда спектрлік сызықтарды толқындық сандар немесе толқын ұзындықтарына кері шамамен сипатталу ұсынылған:
Толқындық сандар арқылы жазылған (21. 11) Бальмер формуласын мына түрге келтіруге болады:
мұндағы тұрақты шама
Ридберг тұрақтысы деп аталады.
Кейінірек сутегі атомындағы басқа да барлық спектрлік сериялардың толқындық сандарын Бальмердің жалпылама формуласы арқылы есептеуге болатындығы тағайындалды:
мұнда Бальмер сериясы үшін m бүтін сан 2 деген мәнге ие болады; 1- Лайман сериясы үшін; 3 - Пашен сериясы үшін және басқа сериялар үшін m = 4, 5, 6 . . . Мұндағы әр сериядағы n санының бүтін мәні сол серия үшін (m+ 1) мәнінен басталады.
мұндағы f =
мұндағы R Ридберг тұрақтысына пропорционал тұрақты шама
- Іс жүргізу
- Автоматтандыру, Техника
- Алғашқы әскери дайындық
- Астрономия
- Ауыл шаруашылығы
- Банк ісі
- Бизнесті бағалау
- Биология
- Бухгалтерлік іс
- Валеология
- Ветеринария
- География
- Геология, Геофизика, Геодезия
- Дін
- Ет, сүт, шарап өнімдері
- Жалпы тарих
- Жер кадастрі, Жылжымайтын мүлік
- Журналистика
- Информатика
- Кеден ісі
- Маркетинг
- Математика, Геометрия
- Медицина
- Мемлекеттік басқару
- Менеджмент
- Мұнай, Газ
- Мұрағат ісі
- Мәдениеттану
- ОБЖ (Основы безопасности жизнедеятельности)
- Педагогика
- Полиграфия
- Психология
- Салық
- Саясаттану
- Сақтандыру
- Сертификаттау, стандарттау
- Социология, Демография
- Спорт
- Статистика
- Тілтану, Филология
- Тарихи тұлғалар
- Тау-кен ісі
- Транспорт
- Туризм
- Физика
- Философия
- Халықаралық қатынастар
- Химия
- Экология, Қоршаған ортаны қорғау
- Экономика
- Экономикалық география
- Электротехника
- Қазақстан тарихы
- Қаржы
- Құрылыс
- Құқық, Криминалистика
- Әдебиет
- Өнер, музыка
- Өнеркәсіп, Өндіріс
Қазақ тілінде жазылған рефераттар, курстық жұмыстар, дипломдық жұмыстар бойынша біздің қор #1 болып табылады.

Ақпарат
Қосымша
Email: info@stud.kz