37. Фотоны.
Фото́н—
элементарная
частица, квант
электромагнитного
излучения
(в узком смысле — света).
Это безмассовая
частица,
способная существовать только двигаясь
со скоростью
света. Электрический
заряд фотона также равен нулю. Фотон
может находиться только в двух спиновых
состояниях с проекцией спина
на направление движения (спиральностью)
±1. Этому свойству в классической
электродинамике
соответствует круговая правая и левая
поляризация
электромагнитной волны. Фотону как
квантовой частице свойственен
корпускулярно-волновой
дуализм, он
проявляет одновременно свойства частицы
и волны.
Фотоны обозначаются буквой
,
поэтому их часто называют гамма-квантами
(особенно фотоны высоких энергий);
эти термины практически синонимичны.
С точки зрения стандартной
модели
фотон является калибровочным
бозоном. Виртуальные
фотоны являются переносчиками
электромагнитного
взаимодействия, таким образом
обеспечивая взаимодействие, например,
между двумя электрическими зарядами.
41. Опытное обоснование корпускулярно-волнового дуализма свойств вещества.
Корпускуля́рно-волново́й дуализм — принцип, согласно которому любой объект может проявлять как волновые, так и корпускулярные свойства. Был введён при разработке квантовой механики для интерпретации явлений, наблюдаемых в микромире, с точки зрения классических концепций. Дальнейшим развитием принципа корпускулярно-волнового дуализма стала концепция квантованных полей в квантовой теории поля.
Как классический пример, свет можно трактовать как поток корпускул (фотонов), которые во многих физических эффектах проявляют свойства электромагнитных волн. Свет демонстрирует свойства волны в явлениях дифракции и интерференции при масштабах, сравнимых с длиной световой волны. Например, даже одиночные фотоны, проходящие через двойную щель, создают на экране интерференционную картину, определяемую уравнениями Максвелла.
Тем не менее, эксперимент показывает, что фотон не есть короткий импульс электромагнитного излучения, например, он не может быть разделён на несколько пучков оптическими делителями лучей. Корпускулярные свойства света проявляются при фотоэффекте и в эффекте Комптона. Фотон ведет себя и как частица, которая излучается или поглощается целиком объектами, размеры которых много меньше его длины волны (например, атомными ядрами), или вообще могут считаться точечными (например, электрон).
В настоящий момент концепция корпускулярно-волнового дуализма представляет лишь исторический интерес, так как служила только интерпретацией, способом описать поведение квантовых объектов, подбирая ему аналогии из классической физики. На деле квантовые объекты не являются ни классическими волнами, ни классическими частицами, приобретая свойства первых или вторых лишь в некотором приближении. Методологически более корректной является формулировка квантовой теории через интегралы по траекториям (пропагаторная), свободная от использования классических понятий.
46. Уpавнение Шpедингеpа для стационаpных состояний.
Уравне́ние Шрёдингера — уравнение, описывающее изменение в пространстве и во времени чистого состояния, задаваемого волновой функцией, в гамильтоновых квантовых системах. Играет в квантовой механике такую же важную роль, как уравнение второго закона Ньютона в классической механике. Его можно назвать уравнением движения квантовой частицы. Установлено Эрвином Шрёдингером в 1926 году.
Уравнение Шрёдингера предназначено для частиц, движущихся со скоростями много меньшими скорости света. В случае быстрых частиц используются его обобщения (уравнение Клейна -Гордона, уравнение Паули, уравнение Дирака и др.).
В начале XX века учёные пришли к выводу, что между предсказаниями классической теории и экспериментальными данными об атомной структуре существует ряд расхождений. Открытие уравнения Шрёдингера последовало за революционным предположением де Бройля, что не только свету, но и вообще любым телам (в том числе и любым микрочастицам) присущи волновые свойства.
Исторически
окончательной формулировке уравнения
Шрёдингера предшествовал длительный
период развития физики.
Оно является одним из фундаментальных
законов физики, объясняющих физические
явления. Квантовая теория, однако, не
требует полного отказа от законов
Ньютона, а лишь определяет границы
применимости классической физики.
Следовательно, уравнение Шрёдингера
должно согласовываться с законами
Ньютона в предельном
случае. Это
подтверждается при более глубоком
анализе теории: если размер и масса
тела становятся макроскопическими и
точность слежения за его координатой
много хуже стандартного
квантового предела, прогнозы квантовой
и классической теорий
совпадают, потому что неопределённый
путь объекта становится близким к
однозначной траектории.
Пусть волновая
функция
задана в N-мерном пространстве, тогда в
каждой точке с координатами
,
в определенный момент времени t
она будет иметь вид
.
В таком случае уравнение Шрёдингера
запишется в виде:
50 . Опыт Резеpфоpда.
В 1913 г. английский физик Резерфорд проделал классические опыты по рассеянию -частиц тонкими слоями различных веществ. -частицы, испускаемые радиоактивными веществами, являются подходящими пробными зарядами для исследования внутриатомных электрических полей. Они представляют собой полностью ионизированные атомы гелия, имеют положительный заряд, равный удвоенному элементарному заряду (q = 3.2·10-19 Кл), массу m = 6.67·10-27кг, обладают высокой энергией (а значит и скоростью), достаточной для проникновения в атомы вещества.
Схема опытов Резерфорда и его учеников Гейгера и Марсдена изображена на рис.1.Внутри герметичной камеры, в которой был создан высокий вакуум, находился свинцовый контейнер с радиоактивным элементом, испускавшим частицы. Узкий пучок частиц падал перпендикулярно на поверхность металлической (золотой) фольги, толщиной около 1 мкм (10-6м). Регистрация частиц производилась по вспышкам света (сцинтилляциям), вызываемыми ими на экране, покрытом люминофором. Экран был укреплен перед объективом на корпусе микроскопа, с помощью которого визуально наблюдали сцинтилляции и подсчитывали их число. Так определяли количество частиц, движущихся по данному направлению после их взаимодействия с атомами вещества. Микроскоп вместе с экраном мог вращаться вокруг вертикальной оси, походящей через центр камеры, для регистрации рассеянных атомами фольги частиц.
На рисунке: 1- атом золота, 2- -частицы
Результаты опытов Резерфорда: 1.большинство частиц проходит через атомы вещества. не рассеиваясь (как через "пустоту"); 2.с увеличением угла рассеяния число отклонившихся от первоначального направления частиц резко уменьшается; 3.имеются отдельные частицы, отбрасываемые атомами назад, против их первоначального движения (как мяч от стенки).
Резерфорд вывел формулу, по которой можно рассчитать количество частиц, рассеянных под определенными углами. В эту формулу входит характеристический параметр "d ", являющийся поперечным размером образований, отклоняющих частицы. Для совпадения расчетов с результатами опытов это параметр должен быть порядка 10-13 см. Атомы имеют диаметр 10-8 см, т.е. на пять порядков выше. Следовательно, в атоме имеется область занимающая ничтожно малую часть атома, которая и отклоняет частицы на большие углы вплоть до 1800.