Естествознание
10 класс

§ 24. Корпускулярно-волновой дуализм

... и тогда
Ты сказала в ответ
И не то чтобы да,
И не то чтобы нет.
Популярная песня 70-х гг. XX в.

При каких условиях проявляются волновые свойства частиц вещества и частиц поля? При каких условиях проявляются корпускулярные свойства частиц вещества и частиц поля?

Урок-практикум

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Интерпретируя предлагаемые мысленные эксперименты, понять, что такое корпускулярно-волновой дуализм.

ПЛАН РАБОТЫ. Последовательно выполните задания с предлагаемыми мысленными экспериментами. После выполнения всех заданий сделайте окончательные выводы.

Что же такое фотон — частица или волна? И что такое электрон — волна или частица? Во многих учебниках и справочниках можно прочитать, что в одних экспериментах фотон и электрон проявляют свойства частиц, а в других — свойства волн. Это свойство обьектов микромира называют корпускулярно-волновым дуализмом.

Волновые свойства света обнаруживаются в таких явлениях, как дифракция и интерференция.

1. Будем считать, что ширина щели (рис. 22, а) равна 1 мкм. Будем мысленно увеличивать ширину щели. Оказывается, что постепенно четкость дифракционной картины будет пропадать (рис. 22, б, в), и при ширине щели 0,1 мм на экране будет видна светлая полоска, соответствующая прямолинейному распространению света (рис. 22, г). Наоборот, при уменьшении ширины щели четкость дифракционной картины не ухудшается. Сформулируйте правило, при каких соотношениях между шириной щели и длиной волны наблюдается дифракция.

Рис. 22. Дифракция света при различной ширине щели

ПОДСКАЗКА. Длина волны видимого света приблизительно от 0,3 до 0,7 мкм

2. Используя метод индукции, обобщите результаты мысленного эксперимента и сформулируйте, при каких условиях объекты микромира (электроны и фотоны) проявляют волновые свойства.

ПОДСКАЗКА. Ключевым должно быть словосочетание: «...движение, ограниченное областью пространства с размерами...

Архип Куинджи. После дождя. Радуга

Замечательное природное явление радуга — не больше чем результат взаимодействия световой волны с мельчайшими капельками воды.

3. Продолжим мысленный эксперимент по наблюдению дифракции на щели. Будем «фотографировать» интерференционную картину, постепенно уменьшая экспозицию (время, в течение которого открыт затвор фотоаппарата) и интенсивность светового пучка (рис. 23). Видно, что изображение вначале становится зернистым, затем полосы разбиваются на отдельные точки, число которых постепенно уменьшается. Сформулируйте гипотезу, объясняющую этот эксперимент.

Рис. 23. Последовательность фотографий при уменьшении экспозиции и интенсивности света

ПОДСКАЗКА. Процесс получения фотографии состоит в следующем. Каждый фотон, попадающий на фотопленку, реагирует с одной молекулой галоидного серебра (AgCl, AgBr или AgI), восстанавливая металлическое серебро. При проявлении пленки вокруг такого атома серебра образуется еще некоторое количество атомов серебра и видимая точка. Из этих точек и складывается фотографическое изображение. На рисунке 23 приведена компьютерная анимация, где рисунки а, б, в, г соответствуют 10 000, 1000, 100 и 10 фотонам, прошедшим через щель. Подобный мысленный эксперимент с электронами дает качественно похожую картину. Очевидно, что в данных экспериментах проявляются дискретные (корпускулярные) свойства как электромагнитного поля, так и электронов.

  1. Как частицы вещества (электроны), так и частицы электромагнитного поля (фотоны) обладают волновыми и корпускулярными свойствами.
  2. Волновые свойства проявляются при движении частиц, если движение в каком-то месте пространства ограничено областью с размерами, сравнимыми с длиной волны или меньшими длины волны.
  3. Корпускулярные свойства проявляются при взаимодействии частиц (например, электронов с фотонами или электронов с электронами), если число частиц, участвующих во взаимодействии, мало.

Рейтинг@Mail.ru